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Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine.
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Wärmekraftmaschinen dienen der Wandlung thermischer Energie in elektrische Energie. Aus der Praxis bekannte Wärmekraftmaschinen nutzen dabei einen herkömmlichen, offenen Gasturbinenprozess, um thermische Energie in elektrische Energie zu wandeln. In einem solchen offenen Gasturbinenprozess wird durch Verbrennung eines Kraftstoffs in einer Brennkammer Wärme erzeugt, die in der Wärmekraftmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird. Solche aus der Praxis bekannten Wärmekraftmaschinen sind nur dann mit hinreichend hohem Wirkungsgrad zur Erzeugung elektrischer Energie einsetzbar, wenn über die Verbrennung von Kraftstoff Verbrennungstemperaturen und damit Antriebstemperaturen von mehr als 1000 °C zur Verfügung stehen.
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Es besteht Bedarf an einer Wärmekraftmaschine, mit welcher auch dann, wenn Antriebstemperaturen von unter 1000 °C, insbesondere im Bereich von 300 °C bis 600 °C, zur Verfügung stehen, mit hohem Wirkungsgrad thermische Energie in elektrische Energie gewandelt werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Wärmekraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Wärmekraftmaschine zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine ist eine in einem geschlossenen Joule-Prozess arbeitende Wärmekraftmaschine und dient der Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine weist zumindest folgende Baugruppen auf: Einen Verdichter, der eingerichtet ist, um gasförmiges Arbeitsmedium ausgehend von einem Eingangsdruck des Verdichters auf einen Ausgangsdruck des Verdichters unter Verdampfung von in dem gasförmigen Arbeitsmedium enthaltener Flüssigkeit zu verdichten. Einen ersten Wärmetauscher, der eingerichtet ist, um in das gasförmige, verdichtete Arbeitsmedium Wärme einer externen Wärmequelle einzukoppeln. Einen Expander, der eingerichtet ist, um stromabwärts des ersten Wärmetauschers das gasförmige Arbeitsmedium zu entspannen. Einen zweiten Wärmetauscher, der eingerichtet ist, um das gasförmige, entspannte Arbeitsmedium zu kühlen. Ein Rekuperator-System, das eingerichtet ist, um einerseits stromabwärts des Verdichters und stromaufwärts des Expanders das gasförmiges Arbeitsmedium vorzuwärmen, und um anderseits stromabwärts des Expanders und stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers Restwärme aus dem gasförmigen, entspannten Arbeitsmedium für die Vorwärmung zurückzugewinnen. Ein Befeuchtungs-System, das eingerichtet ist, um stromaufwärts des Verdichters 11, und damit stromabwärts des zweiten Wärmetauschers, Flüssigkeit in das gasförmige Arbeitsmedium einzubringen. Einen mit dem Expander gekoppelten und vom Expander angetriebenen Generator zur Erzeugung der elektrischen Energie.
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Die Wärmekraftmaschine arbeitet in einem geschlossen Joule-Prozess bzw. Joule-Kreislauf und arbeitet ohne die Verbrennung von Kraftstoffen. Bei der externen Wärmequelle handelt es sich insbesondere um einen Temperaturwärmespeicher. Durch die Kombination der in einem geschlossenen Joule-Prozess arbeitenden Wärmekraftmaschine mit dem Rekuperator-System ist es möglich, Wärme stromabwärts des Expanders zurückzugewinnen. Trotz geringer Antriebstemperaturen von weniger als 1000 °C, insbesondere in einem Bereich von 300 °C bis 600 °C, können hohe Wirkungsgrade erzielt werden, wie sie bei in einem offenen Joule-Prozess arbeitenden Wärmekraftmaschinen mit der Verbrennung von Kraftstoffen und Antriebstemperaturen von über 1000 °C üblich sind.
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Dies wird insbesondere auch durch das Befeuchtungs-System ermöglicht, welches stromabwärts des zweiten Wärmetauschers und stromaufwärts des Verdichters bzw. im Bereich des Verdichters Flüssigkeit in das gasförmige Arbeitsmedium einbringt, und zwar insbesondere derart, dass am Austritt des Verdichters ein Dampfanteil der verdampften Flüssigkeit zwischen 3 % und 15 %, insbesondere zwischen 3 % und 10 %, der Gesamtmasse des Gases am Austritt des Verdichters ausmacht.
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Nach einer ersten Variante der Erfindung weist das Rekuperator-System einen Gas-Gas-Wärmetauscher auf, der eingerichtet ist, um über denselben das gasförmige Arbeitsmedium stromaufwärts des ersten Wärmetauschers und stromabwärts des Expanders zu führen.
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Nach einer zweiten Variante der Erfindung weist das Rekuperator-System einen ersten Gas-Flüssig-Wärmetauscher, der eingerichtet ist, um über denselben das gasförmige Arbeitsmedium stromaufwärts des ersten Wärmetauschers zu führen, und einen zweiten Gas-Flüssig-Wärmetauscher, der eingerichtet ist, um über denselben das gasförmige Arbeitsmedium stromabwärts des Expanders zu führen, auf, wobei der erste Gas-Flüssig-Wärmetauscher und der zweite Gas-Flüssig-Wärmetauscher über ein flüssiges Wärmeübertragungsmedium führende Leitungen gekoppelt sind.
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Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine einen Kondensat-Abscheider auf, der eingerichtet ist, um im Bereich des zweiten Wärmetauschers anfallendes Kondensat aus dem gasförmigen Arbeitsmedium abzuscheiden und in Richtung auf einen Kondensat-Sammelbehälter zu führen, wobei das Befeuchtungs-System das im Kondensat-Sammelbehälter gesammelte Kondensat als Flüssigkeit in das gasförmige Arbeitsmedium einbringt.
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Hierdurch ist es möglich, anfallendes Kondensat abzuscheiden, zu sammeln und wieder für die Befeuchtung über das Befeuchtungs-System zu nutzen. Feuchtigkeit kann auch im gasförmigen Arbeitsmedium verbleiben, wodurch sich dann die Menge der über das Befeuchtungs-System in das gasförmige Arbeitsmedium einzubringenden Flüssigkeit reduziert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Anspruch 9 definiert.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1: ein Blockschaltbild einer ersten erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine,
- 2 ein Blockschaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine,
- 3 ein log-p-h Diagramm zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung.
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1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine 10, die in einem geschlossenen Joule-Prozess arbeitet und der Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie dient.
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Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 10 verfügt über einen Verdichter 11. Der Verdichter 11 ist eingerichtet, um gasförmiges Arbeitsmedium, vorzugsweise Luft, ausgehend von einem Eingangsdruck auf einen Ausgangsdruck des Verdichters 11 unter Verdampfung von in dem gasförmigen Arbeitsmedium enthaltener Flüssigkeit, insbesondere der Verdampfung von Wasser, zu verdichten.
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Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 10 verfügt weiterhin über einen ersten Wärmetauscher 12. Der erste Wärmetauscher 12 ist eingerichtet, um stromabwärts des Verdichters 11 in das gasförmige, verdichtete Arbeitsmedium Wärme einer nicht gezeigten, externen Wärmequelle 28 einzukoppeln.
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Bei der externen Wärmequelle 28 handelt es sich insbesondere um einen Temperaturwärmespeicher. Die externe Wärmequelle 28 sowie die Wärmekraftmaschine 10 arbeitet ohne die Verbrennung von Kraftstoffen. Die externe Wärmequelle 28 kann als Flüssigwärmespeicher z.B. Flüssigsalz oder Feststoffwärmespeicher aus Beton, Vulkangestein, Schüttung etc. ausgeführt sein. Die externe Wärmequelle 28 kann auch als Latent-Wärmespeicher ausgeführt sein, mit einem Speichermaterial wie zum Beispiel einem Salz, Metall oder dergleichen. Die Wärme aus dem Speichersystem kann über ein Wärmeträgermedium (Flüssigsalz, Thermoöl, Luft, Druckwasser etc.) dem ersten Wärmetauscher 12 zugeführt werden.
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Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 10 verfügt weiterhin über einen Expander 13. Der Expander 13 ist eingerichtet, um stromabwärts des ersten Wärmetauschers 12 das gasförmige Arbeitsmedium zu entspannen und hierbei thermische Energie in mechanische Energie zu wandeln.
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Der Expander 13 ist in 1 einerseits mit dem Verdichter 11 und andererseits mit einem Generator 14 gekoppelt. Die bei der Entspannung des gasförmigen Arbeitsmediums im Expander 13 gewonnene, mechanische Energie wird demnach einerseits zum Antreiben des Verdichters 11 und andererseits zum Antreiben des Generators 14 genutzt, wobei der Generator 14 der Erzeugung der elektrischen Energie dient.
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Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 10 verfügt ferner über einen zweiten Wärmetauscher 15. Der zweite Wärmetauscher 15 ist eingerichtet, um stromabwärts des Expanders 13 das gasförmige, entspannte Arbeitsmedium zu kühlen.
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Ferner umfasst die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 10 ein Rekuperator-System 16. Das Rekuperator-System 16 ist einerseits eingerichtet, um stromabwärts des Verdichters 11 und stromaufwärts des ersten Wärmetauschers 12 und des Expanders 13 das verdichtete, gasförmige Arbeitsmedium vorzuwärmen. Andererseits ist das Rekuperator-System 16 eingerichtet, um stromabwärts des Expanders 13 und stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 15 Restwärme aus dem gasförmigen, entspannten Arbeitsmedium für die Vorwärmung zurückzugewinnen.
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Ferner verfügt die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 10 über ein Befeuchtungs-System 17. Das Befeuchtungs-System 17 ist eingerichtet, um stromaufwärts des Verdichters Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in das gasförmige Arbeitsmedium, insbesondere in die Luft, einzubringen.
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1 zeigt eine Befeuchtungs-Düse 18, über die stromaufwärts des Verdichters 11 in das gasförmige, entspannte Arbeitsmedium Flüssigkeit, insbesondere Wasser, eingedüst bzw. eingespritzt werden kann. Diese Flüssigkeit wird über eine Pumpe 19 des Befeuchtungs-Systems 17 aus einem Kondensat-Sammelbehälter 20 entnommen. In dem Kondensat-Sammelbehälter 20 ist Kondensat, welches im Bereich des zweiten Wärmetauschers 15 anfällt und im Bereich des zweiten Wärmetauschers 15 über einen Kondensat-Abscheider 21 aus dem entspannten, gasförmigen Arbeitsmedium abgeschieden werden kann, zuführbar.
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Als gasförmiges Arbeitsmedium dient vorzugsweise Luft, als Flüssigkeit dient vorzugsweise Wasser. In diesem Fall wird demnach über den Verdichter 11 übersättigte, feuchte Luft angesaugt und verdichtet, wobei bei der Verdichtung die Flüssigkeit, nämlich das Wasser, verdampft wird, wodurch Verdampfungs-Enthalpie der Wasserpartikel für einen Kühleffekt der Luftverdichtung sorgt. Anschließend an die Verdichtung der Luft im Verdichter 11 unter Verdampfung des Wassers wird die verdichtete Luft im Bereich des Rekuperator-Systems 16 vorgewärmt, wobei das Rekuperator-System 16 ebenfalls der Rückgewinnung von Restwärme stromabwärts des Expanders 13 dient.
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Im Anschluss an die Vorwärmung des gasförmigen, verdichteten Arbeitsmediums im Bereich des Rekuperator-Systems 16 erfolgt im Bereich des ersten Wärmetauschers 12 das Zuführen thermischer Energie der externen Wärmequelle 28, insbesondere eine Wärmezufuhr aus einem Hochtemperatur-Wärmespeicher. Diese externe Wärme der externen Wärmequelle 28 wird als Antriebswärme und damit thermische Antriebsenergie genutzt.
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Stromabwärts dieses ersten Wärmetauschers 12 erfolgt im Bereich des Expanders 13 die Entspannung des gasförmigen Arbeitsmediums und die Wandlung thermischer Energie in mechanische Energie, wobei der Expander 13 einerseits den Verdichter 11 und andererseits den Generator 14 zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt. Stromabwärts des Expanders 13 erfolgt im Bereich des Rekuperator-Systems 16 die Rückgewinnung von Restwärme des entspannten Arbeitsmediums, wobei diese Wärmerückgewinnung zur Luftvorwärmung im Bereich des Rekuperator-Systems 16 genutzt wird.
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Der zweite Wärmetauscher 15 kühlt das entspannte Arbeitsmedium zurück. Je stärker diese Rückkühlung im Bereich des zweiten Wärmetauschers 15 erfolgt, desto höher liegt der Wirkungsgrad des geschlossenen Joule-Kreislaufs. Durch diese Rückkühlung wird der Taupunkt unterschritten und es fällt Kondensat aus. Das Kondensat, welches im Bereich des zweiten Wärmetauschers 15 ausfällt, kann mit dem Kondensat-Abscheider 21 abgeschieden und in Richtung auf den Kondensat-Sammelbehälter 20 geführt werden, um anschließend das Kondensat über das Befeuchtungs-System 17 wieder in das gasförmige, zu verdichtende Arbeitsmedium einzubringen, und zwar in 1 mithilfe der Befeuchtungs-Düse 18 stromaufwärts des Verdichters 11.
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Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 10 arbeitet demnach in einem vollständig geschlossenen Joule-Kreisprozess.
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Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 10 nutzt das Rekuperator-System 16 sowie das Befeuchtungs-System 17. In Kombination dieser Merkmale ist es möglich, eine relativ hohe Wassermenge in das gasförmige Arbeitsmedium einzubringen, insbesondere in einem Bereich zwischen 3 Masse-% und 15 Masse-%, insbesondere in einem Bereich zwischen 3 Masse-% und 10 Masse-%, bezogen auf die Gesamtgasmasse bzw. Luftmasse am Austritt des Verdichters 11. Hierdurch können bei Antriebstemperaturen im Bereich des ersten Wärmetauschers 12, die unterhalb von 1000 °C liegen, insbesondere in einem Bereich von 300 °C bis 600 °C, Wirkungsgrade erzielt werden, wie sie bislang nur bei befeuerten Gasturbinen mit Antriebstemperaturen von mehr als 1000 °C bereitgestellt werden können. Die eingedüste Flüssigkeit, nämlich das in das Arbeitsmedium eingebrachte Wasser, bleibt im geschlossenen Prozess erhalten und muss bis auf den Ausgleich von Leckage nicht nachgespeist werden. Unter Umständen kann auf die Abscheidung von Kondensat verzichtet werden, sofern das Kondensat im zirkulierenden Luftstrom verbleiben und in der Strömung der Luft kondensieren und direkt wieder verdampfen kann. In diesem Fall wäre dann lediglich zum Anfahren der Wärmekraftmaschine 10 das Befeuchtungs-System 17 erforderlich.
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3 verdeutlicht den geschlossenen Joule-Prozess der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine 10 in einem log p-h-Diagramm, in welchem über der spezifischen Enthalpie h der Druck p logarithmisch aufgetragen ist. Der Zustand A der 3 entspricht dem Zustand des zu verdichtenden Arbeitsmediums unmittelbar stromaufwärts des Verdichters 11. Zwischen den Zuständen A und B erfolgt die Verdichtung des Arbeitsmediums im Bereich des Verdichters 11 unter Verdampfung der Flüssigkeit. Zwischen den Zuständen B und C erfolgt die Vorwärmung im Bereich des Rekuperator-Systems 16. Zwischen den Zuständen C und D erfolgt die Zufuhr von Wärme und damit thermischer Antriebsenergie der externen Wärmequelle 28 im Bereich des zweiten Wärmetauschers 12. Zwischen den Zuständen D und E erfolgt die Entspannung des gasförmigen Arbeitsmediums im Bereich des Expanders 16. Zwischen den Zuständen E und F erfolgt die Rückgewinnung der Restwärme im Bereich des Rekuperator-Systems 16. Zwischen den Zuständen F und A erfolgt die Rückkühlung im Bereich des zweiten Wärmetauschers 15.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 umfasst das Rekuperator-System 16 einen einzigen Gas/Gas-Wärmetauscher bzw. Luft/Luft-Wärmetauscher, der eingerichtet ist, um über denselben das gasförmige Arbeitsmedium stromaufwärts des ersten Wärmetauschers 12 und stromabwärts des Expanders 13 zu führen.
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Demgegenüber zeigt 2 eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine 10, bei welcher das Rekuperator-System 16 zwei Gas-Flüssig-Wärmetauscher 16a, 16b umfasst. Der erste Gas-Flüssig-Wärmetauscher 16a des Rekuperator-Systems 16 der 2 ist eingerichtet, um über denselben das gasförmige Arbeitsmedium stromabwärts des Verdichters 11 und stromaufwärts des ersten Wärmetauschers 12 zu führen. Der zweite Gas-Flüssig-Wärmetauscher 16b ist eingerichtet, um über denselben das gasförmige, im Expander 13 entspannte Arbeitsmedium zu führen, also stromabwärts des Expanders 13 und stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 15.
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Die beiden Gas-Flüssig-Wärmetauscher 16a, 16b des Rekuperator-Systems 16 der 2 sind über Leitungen 22 gekoppelt, über welche ein Wärmeübertragungsmedium fließt. Bei dem Wärmeübertragungsmedium kann es sich um unter Druck stehendes Wasser, Thermoöl oder dergleichen handeln.
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Das Rekuperator-System 16 der 2 mit den beiden Gas/Flüssig-Wärmetauschern 16a, 16b und den Leitungen 22 bildet ein geschlossenes Zwischenkreissystem, wobei eine Pumpe 23 der Förderung des Wärmeübertragungsmediums durch das Rekuperator-System 16 dient. Über eine Druck-Regeleinheit 24 kann der Druck des Wärmeübertragungsmediums im Rekuperator-System 16 geregelt, insbesondere konstant gehalten werden, um zum Beispiel Leckageverluste des Wärmeübertragungsmediums zu kompensieren und eine Verdampfung des Wärmeträgermediums zu verhindern..
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Ein weiterer Unterschied zwischen der Wärmekraftmaschine 10 der 1 und der Wärmekraftmaschine 10 der 2 besteht darin, dass im Ausführungsbeispiel der 2 der Verdichter 11 als Hubkolbenverdichter ausgeführt ist, wobei 2 einen Kolben 25 eines Zylinders eines solchen Hubkolbenverdichters schematisch zeigt. Da ein solcher Hubkolbenverdichter gegenüber Turboverdichtern unempfindlich gegenüber Tröpfchen-Erosion ist, kann im Ausführungsbeispiel der 2 über das Befeuchtungs-System 17 die Flüssigkeit unmittelbar im Bereich des Hubkolbenverdichters 11 und in größerer Menge, bzw. mit größeren Tröpfchen in das zu verdichtende Arbeitsmedium eingebracht werden. In 2 kann die Flüssigkeit direkt in den Zylinder während des Verdichtungsprozesses des Arbeitsmediums eingebracht werden. Hierdurch wird ein Erosionsrisiko deutlich reduziert, da die Flüssigkeitströpfchen keine weiteren Strömungswege zurücklegen müssen und nicht auf Bauteile mit hoher Impulsenergie auftreffen können. Bei einem Hubkolbenverdichter können zur Eindüsung der Flüssigkeit, insbesondere des Wassers, konventionelle Einspritzsysteme von Verbrennungsmotoren genutzt werden, die aus der Kraftstoffeinspritzung bekannt sind. Dabei erfolgt die Zerstäubung des Wassers unter einem hohen Druck vorzugsweise über entsprechend umfunktionierte Kraftstoffpumpen, und zwar vorzugsweise im Bereich des unteren Totpunkts in dem jeweiligen Zylinder des Hubkolbenverdichters 11.
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1 und 2 zeigen weiterhin ein Druckregelsystem 26, welches eingerichtet ist, den Druck des gasförmigen Arbeitsmediums im geschlossenen Joule-Kreisprozess einzustellen und auf einem eingestellten Niveau zu halten. So können Leckageverluste des Arbeitsmediums kompensiert werden. Zur Leistungsregelung kann auch der Druck des Arbeitsmediums über das Druckregelsystem 26 variiert werden.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 ist weiterhin stromabwärts des Hubkolbenverdichters 11 und stromaufwärts des Wärmetauschers 16a des Rekuperator-Systems 16 ein Ölfilter 27 gezeigt, um Öl, welches über Leckageverluste der Zylinder im Bereich des Hubkolbenverdichters 11 in das gasförmige Arbeitsmedium gelangen kann, aus demselben herauszufiltern.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wärmekraftmaschine
- 11
- Verdichter
- 12
- Wärmetauscher
- 13
- Expander
- 14
- Generator
- 15
- Wärmetauscher
- 16
- Rekuperator-System
- 16a
- Wärmetauscher
- 16b
- Wärmetauscher
- 17
- Befeuchtungs-System
- 18
- Befeuchtungs-Düse
- 19
- Pumpe
- 20
- Kondensat-Sammelbehälter
- 21
- Kondensat-Abscheider
- 22
- Leitung
- 23
- Pumpe
- 24
- Druckregelsystem
- 25
- Kolben
- 26
- Druckregelsystem
- 27
- Ölfilter
- 28
- externe Wärmequelle
