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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zufuhr
eines sauerstoffhaltigen Mediums, insbesondere Luft, in
einen Kathodenraum einer Brennstoffzelle nach der im
Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Aus der WO 00/63993 ist eine stromnetzunabhängige,
schadstoffemissionsfreie portable
Stromversorgungseinrichtung bekannt. Diese Stromversorgungseinrichtung
nutzt eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM-
Brennstoffzelle zur Erzeugung der benötigten
elektrischen Leistung. Der zum Betrieb der Brennstoffzelle
beschriebene Aufbau weist eine Rückführung von aus dem
Bereich der Kathode austretender Luft in den
Eintrittsbereich auf. Diese Rückführung hat zum Ausgleich
der Druckverluste, welche im Bereich des Kathodenraums
der Brennstoffzelle entstehen, eine Pumpe. Die
rückgeführte Luft gelangt nach dem die Umgebungsluft
ansaugenden und verdichtenden Fördermittel, hier ebenfalls
einer Pumpe, in das dem Kathodenraum zuströmende
sauerstoffhaltige Medium, hier also die Luft.
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Ein vergleichbarer Aufbau ist auch in der US 6,015,634
beschrieben. Auch hier wird der Kathode über einen
Kompressor Luft zugeführt und ein Teil der nicht
benötigten Luft wird über einen weiteren Kompressor und
eine Rückführung in den Bereich des Kathodeneingangs
zurückgefördert und dort der bereits verdichteten
Zuluft für die Kathode beigemischt.
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Über die Aufbauten der beiden beschriebenen Schriften
läßt sich eine ausgeglichene Wasserbilanz des
Gesamtsystems erzielen, da jeweils ein Teil des Wassers
durch die Rezirkulationsleitung umgepumpt und somit
für die Befeuchtung der Membranen teilweise wieder
genutzt werden kann. Allerdings weisen beide Aufbauten
den gravierenden Nachteil auf, daß ein zusätzliches
Bauteil, nämlich das entsprechende Gebläse oder der
Verdichter vonnöten ist, um die Rezirkulation aufrecht
zu erhalten. Außerdem ist eine einfache Regelung der
Rezirkulationsmenge so nicht möglich.
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Einen weiteren Aufbau, welcher eine Rezirkulation von
Kathodenluft bzw. einem sauerstoffhaltigen Medium für
eine Brennstoffzelle zeigt, ist durch die US 4,362,789
beschrieben. Auch hier ist die Rezirkulation des
sauerstoffhaltigen Mediums so ausgeführt, daß der
Eintritt des rezirkulierten Mediums in das
sauerstoffhaltige Medium, welches dem Kathodenraum zugeführt wird,
zwischen dem Kompressor und dem Kathodenraum erfolgt.
Als Antrieb zum Ausgleich der in dem Kathodenraum
auftretenden Druckverluste ist dabei eine Art Jetpump
vorgesehen, bei welcher das rezirkulierte Medium über
eine Kühlflüssigkeit als Antriebsmittel gefördert
wird. Rezirkulationspumpe und Kühlung können somit zu
einem Bauteil zusammengefaßt werden.
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Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese
oben genannten Aufbauten zu vereinfachen und eine
Vorrichtung zur Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Mediums,
insbesondere Luft, in einen Kathodenraum einer
Brennstoffzelle mit einer Fördereinrichtung und einer
Rückführung für einen Anteil des aus dem Kathodenraum
abströmenden Mediengemisch in das dem Kathodenraum
zugeführte Mediengemisch zu schaffen, welche mit einem
minimalen Aufwand hinsichtlich der eingesetzten Bauteile
und mit minimalem Aufwand hinsichtlich der Steuerung
und/oder Regelung auszukommen vermag.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im
kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale
gelöst.
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Dadurch, daß die Rückführung in den Bereich vor dem
Kompressor also vor die Verdichtung des
sauerstoffhaltigen Mediums erfolgt, entstehen einige Vorteile,
welche den sicherlich auch entstehenden geringfügigen
höheren Aufwand an Energie, welcher durch die
Fördereinrichtung bereitzustellen ist, bei weitem ausgleichen.
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So ist einer der Vorteile beispielsweise, daß für das
Betreiben des Systems keine Befeuchtereinrichtung
vonnöten ist, ein derartiges Bauteil also eingespart
werden kann. Die Befeuchtung erfolgt durch den
entsprechenden Aufbau in der Art und Weise, daß die
rezirkulierte Kathodenabluft die Feuchtigkeit aus der
Kathode, welche dort beim Umsatz von Sauerstoff und
Wasserstoff zu elektrischer Energie und Wasser entsteht, in
die Kathodenzuluft zurückgeführt wird. Dann ist zwar
beim Start noch keine Feuchtigkeit verfügbar, in
diesem Fall ist jedoch die Befeuchtung nicht notwendig
bzw. nicht gewollt, da ohne Befeuchtung ein
schnellerer Start der Brennstoffzelle realisiert werden kann.
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Durch die entsprechend größere Menge an Gas, welche
durch den Kathodenraum gefördert wird, kann mehr
Wasserdampf aufgenommen bzw. flüssiges Wasser mitgerissen
werden, so daß insgesamt mehr Wasser aus der Kathode
abgeführt wird. Die Performance der Brennstoffzelle
läßt sich dadurch entsprechend steigern und bringt
somit einen weiteren beachtlichen Vorteil mit sich.
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In der Rückführung ist damit also ein sehr hoher
Gehalt an Feuchtigkeit und gegebenenfalls flüssiges
Wasser vorhanden. Spätestens nach der Entspannung an der
Drossel wird also flüssiges Wasser in der Rückführung
vorhanden sein und von dem Gas mitgerissen werden.
Dieses flüssige Wasser gelangt dann in die
Fördereinrichtung. Da es nun von Kompressoren verschiedener
Bauarten bekannt ist, daß diese in ihrem Wirkungsgrad
teilweise erhebliche Steigerungen erlauben, wenn
Wasser in den Kompressor mit eingespritzt wird, entsteht
hierdurch ein weiterer Vorteil.
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Aufgrund der in den Bereich des Kompressors
zurückgeführten Feuchtigkeit, welche teilweise auch als
Flüssigkeit vorliegt, kann während der Kompression
entstehende Energie zur Verdampfung des in flüssiger Form
vorliegenden Wassers genutzt werden, so daß auf einen
Ladeluftkühler zwischen dem Kompressor und dem
Kathodenraum entweder ganz verzichtet werden kann oder daß
dieser zumindest hinsichtlich seiner Kühlleistung
deutlich verringert werden kann, was wiederum Bauraum
und Kosten einspart.
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In einer besonders günstigen Ausgestaltung der
Erfindung ist die Drosseleinrichtung steuer- oder regelbar
ausgebildet, um den Anteil des durch die Rückführung
strömenden Mediengemischs zu beeinflussen.
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Dadurch entsteht der weitere Vorteil, daß über die
vergleichsweise einfache Ansteuerung der Drossel,
beispielsweise durch einen veränderlichen Querschnitt
oder dergleichen, die Befeuchtung anhand des
rückgeführten Mediengemischs aus dem Kathodenraum sehr
leicht und exakt eingestellt werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und den
anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten
Ausführungsbeispielen.
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Es zeigt:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
Brennstoffzelle, welche mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung betrieben wird;
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Fig. 2 ein Diagramm der Leistung und des Taupunkts in
Abhängigkeit der Rückführrate;
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Fig. 3 eine schematische Darstellung einer
Brennstoffzelle mit einer alternativen
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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Fig. 4 eine schematische Darstellung einer
Brennstoffzelle mit einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In Fig. 1 ist eine Brennstoffzelle 1 dargestellt,
welche aus einem Anodenraum 2 und einem Kathodenraum 3
besteht, welche durch eine protonenleitende Membran 4
voneinander getrennt sind. Unter dem Anodenraum 3 bzw.
den Kathodenraum 4 ist dabei entweder ein einzelner
Raum einer Brennstoffzelle 1 oder die untereinander
verbundenen Räume eines Brennstoffzellenstacks zu
verstehen.
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Zur Zuführung von sauerstoffhaltigem Medium, hier
Luft, in den Bereich des Kathodenraums 4 weist die
Anordnung eine Fördereinrichtung 5 auf. Durch diese
Fördereinrichtung 5 wird Umgebungsluft vom
Umgebungsluftdruck p0 auf den Betriebsdruck p1 der Brennstoffzelle
1 und die dort vorliegende Eintrittstemperatur T1 im
Bereich des Kathodenraums 3 gebracht. Nach dem
Durchströmen des Kathodenraums 3 wird dieser Druck um den
Druckverlust im Bereich des Kathodenraums 4 minimiert
sein. Der Druck nach dem Durchströmen des
Kathodenraums 4 soll hier mit p2 bezeichnet werden. Das
Mediengemisch befindet sich dabei auf dem
Temperaturniveau T2, welches im allgemeinen ca. 5-15 K höher liegt
als die Temperatur T1. Nach dem Durchströmen des
Kathodenraums 4 wird das aus dem Kathodenraum 4
ausströmende Mediengemisch, welches aus mit Sauerstoff
teilweise abgereicherter Luft und Wasser in gasförmiger
Phase, teilweise jedoch auch in flüssiger Phase,
bestehen. Dieses Mediengemisch wird dann aufgeteilt und
gelangt teilweise in die Umgebung, wobei weitere hier
nicht dargestellte Komponenten, wie Kondensatoren,
Kühler und dergleichen eingesetzt sein können. Ein
Anteil des aus dem Kathodenraum 4 austretenden Gases
gelangt jedoch auch über eine Rückführung 6 wieder
zurück in den Bereich der von der Fördereinrichtung 5angesaugten Luft.
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Das rückgeführte Mediengemisch erfährt dabei eine
Reduzierung seines Drucks vom Druckniveau p2 auf den
Umgebungsdruck p0 im Bereich einer Drosseleinrichtung 7,
welche hier als steuerbare bzw. regelbare Drossel 7
ausgebildet ist. Diese regelbare Drossel 7 erlaubt es
dabei, beispielsweise durch einen veränderlichen
Querschnitt, neben einer Druckreduzierung gleichzeitig die
Menge an durch die Rückführung 6 strömenden
Mediengemischs zu beeinflussen. Über die Drossel 7 läßt sich
also das Verhältnis zwischen dem Medienabstrom aus dem
Kathodenraum 4 und dem durch die Rückführleitung 6
strömenden Medium einstellen. Dieses Verhältnis, die
sogenannte Rückführrate, soll nachfolgend mit "R"
bezeichnet werden.
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Des weiteren sind zwei optionale Bauteile in dem
Aufbau gemäß Fig. 1 über gestrichelte Linien angedeutet.
Das erste Bauteil sitzt zwischen der Fördereinrichtung
5 und dem Kathodenraum 4. Es soll sich dabei um einen
Ladeluftkühler 8 handeln, welcher bei bisherigen
Systemen üblich und vergleichsweise groß und aufwendig
ist. Bei dem hier dargestellten System kann
grundlegend auf einen derartigen Ladeluftkühler 8 verzichtet
werden, er kann allenfalls in bestimmten Lastzuständen
vonnöten sein und ist deshalb hier als optionaler
Ladeluftkühler 8 angedeutet. Selbst wenn ein derartiger
optionaler Ladeluftkühler 8 eingesetzt ist, so weist
dieser eine weitaus geringere Kühlleistung und damit
einen weitaus geringeren Bauraum auf als es die
Ladeluftkühler gemäß dem Stand der Technik tun.
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Das zweite optionale Bauteil ist ein
Flüssigkeitsabscheider 9, welcher in dem Bereich nach dem
Kathodenraum 4 angeordnet sein kann, um das hier in flüssiger
Phase vorliegende Wasser aus dem Mediengemisch
abzuscheiden. Dies kann Vorteile hinsichtlich eines
stabilen Betriebs der Steuerung bzw. Regelung der
Befeuchtung des Kathodenraums 4 über die durch die Drossel 7
eingestellte Rückführmenge ermöglichen. Im allgemeinen
wird durch den Flüssigkeitsabscheider 9, sofern dieser
vorhanden ist, jedoch nur bereits auskondensiertes
Überschußwasser aus der Kathodenluft-Rezirkulation
entfernt, er kann also sehr klein und einfach gebaut
werden.
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In Fig. 2 ist nun ein Diagramm dargestellt, welches
einerseits den Taupunkt des in den Kathodenraum 4
einströmenden gasförmigen Mediums, hier also der Luft, in
Abhängigkeit der Rückführrate R aufzeigt, und
andererseits die aufzuwendende Leistung der Fördereinrichtung
P, ebenfalls in Abhängigkeit der Rückführrate R,
zeigt.
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Selbstverständlich muß aufgrund der Entspannung des
rückgeführten Mediengemischs von dem höheren
Druckniveau p2 auf das Umgebungsdruckniveau p0 und die
nachfolgende Wiederverdichtung über die Fördereinrichtung
5 bei einer Rückführrate R > 0 eine höhere Leistung
für die Fördereinrichtung 5 aufgebracht werden als
dies der Fall wäre, wenn auf eine derartige
Rückführung komplett verzichtet werden würde (R = 0).
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Im nachfolgenden Beispiel soll als Zielsetzung ein
Aufbau angegeben werden, welcher am Eintritt des
Kathodenraums 4 bei einem fiktiven Temperaturwert von
50° und einem annähernd konstanten Druck von p1 in
diesem Bereich im Taupunkt (DP) befindlicher
Kathodenzuluft betrieben wird. Die untere der beiden Kurven in
dem Diagramm stellt nun die Abhängigkeit des Taupunkts
(50°) von der Rückführrate R dar.
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Als erster Punkt in dem Diagramm soll jedoch ein Punkt
erläutert werden, welcher sich bei der entsprechenden
Leistung einstellt, wenn keine Rückführung, also R =
0, vorgesehen ist. Für den entsprechenden Taupunkt bei
den fiktiven 50° und dem Druck p1 wäre demnach eine
entsprechende Kompressorleistung P1 notwendig. Zur
Bereitstellung der Feuchte in dem Gas wäre eine
entsprechende Befeuchtungseinrichtung, beispielsweise ein
Membranbefeuchter oder dergleichen, vonnöten.
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Steigert man nun die Rückführrate R entsprechend, so
wird der für den beim fiktiven Wert von 50° geltende
Taupunkt DP auf der durchgezogenen Linie wandern. Der
gewünschte Taupunkt bei 50° wird sich bei einer
Rückführrate einstellen, welche hier mit x markiert ist.
Die Rückführrate R = x wird dabei in einem Bereich von
ca. 0,25 bis 0,3, also einer Rückführung von 25 bis
30% des Kathodenabgasstroms, liegen.
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Bei dieser Rückführung x wird sich aber auch der dazu
gehörende Leistungswert P2 auf der Leistungskurve
einstellen. Für die Möglichkeit auf den Befeuchter
komplett zu verzichten und die ideale Befeuchtung des
Kathodenraums 4 mit einer einfachen Steuerung bzw.
Regelung zu realisieren, muß also die Leistungsdifferenz
dP = P2 - P1 zusätzlich aufgebracht werden.
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Um die damit verbundenen Energieaufwendungen möglichst
gering zu halten, ist ein derartiges System also dann
von besonderer Bedeutung, wenn der komplette Aufbau
mit vergleichsweise geringen Drücken p1, p2 auskommt,
da dann die aufzubringende Verdichterleistung an sich
vergleichsweise klein ist. Besonders günstig ist ein
derartiger Aufbau mit einer einfachen Drossel 7 als
regelbare Drosseleinrichtung 7 also dann, wenn der
Vordruck p1 vor dem Kathodenraum 4 in einem Bereich
möglichst unter 3 bar absolut liegt, die durch die
Fördereinrichtung 5 aufzubringende Druckdifferenz also
≤ 2 bar ist. Da sich diese Überlegungen weiterführen
lassen, ist ein besonders günstiger Einsatz bei
Systemen zu erreichen, welche mit sehr niedrigen Vordrücken
p1 von beispielsweise 1,6 bis 1,8 bar absolut
arbeiten.
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In Fig. 3 und Fig. 4 sind nun zwei weitere
Ausführungsformen dargestellt, welche insbesondere für
höhere Drücke, also einem Druck p1 von wenigstens 3 bar
absolut, sinnvoll sind.
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Der in Fig. 3 dargestellte Aufbau ist dabei sehr
ähnlich zu dem Aufbau gemäß Fig. 1. Lediglich ist anstatt
der steuer- bzw. regelbaren Drosseleinrichtung 7 ein
Expander 7' als Drosseleinrichtung eingesetzt. Dabei
kann es sich prinzipiell um eine Turbine oder eine
geometrische Maschine handeln. Die geometrische Maschine
ist sicherlich bei den üblicherweise vorliegenden
Drücken unter 5 bar zu bevorzugen.
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Um die Menge an rückgeführtem Mediengemisch, also die
Rückführrate R, einstellen zu können, ist hier eine
steuerbare oder regelbare Ventileinrichtung 10,
beispielsweise ein Proportionalventil, eingesetzt.
Ansonsten ist der Aufbau durchaus vergleichbar. Nur kann
hier bei der Expansion in der Rückführung 6 die
anfallende Energie genutzt werden, um entweder die
Fördereinrichtung 5 teilweise anzutreiben oder um über
entsprechende Energiewandler Energie bereit zu
stellen, welche dann anderweitig weiterverwendet werden
kann.
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In Fig. 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform
dargestellt. Da in den Abgassträngen von Anodenraum 3
und Kathodenraum 4 häufig ohnehin Expander eingesetzt
sind, kann man bei dem hier vorliegenden Aufbau den
Expander so einsetzen, daß der komplette Abgasstrom,
welcher aus dem Kathodenraum 4 bei einem Druck p2
ausströmt, den Expander 7" durchströmt und die in ihm
enthaltene Energie zumindest teilweise abgibt, um
diese anderweitig zur Verfügung zu stellen.
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Die prinzipmäßige Darstellung der Fig. 4 zeigt darüber
hinaus weitere Bauteile, wie beispielsweise eine
Filtereinrichtung 11 im Bereich der Zuluft, welche auch
bei allen bisherigen Anordnungen vorhanden sein kann,
welche für die dort geführten Überlegungen jedoch
nicht von Interesse war. Des weiteren sind
Abgasreinigungseinrichtungen 12 oder dergleichen im Bereich der
abströmenden Abluft dargestellt. Für weitere
Überlegungen sind dabei nicht diese Baubereiche 11, 12 an
sich, sondern nur die von diesen Bauteilen erzeugten
Druckverluste von Interesse. Der in dem Filter 11
erzeugte Druckverlust wird nachfolgend mit dpf
bezeichnet, während der von den weiteren Komponenten 12
erzeugte Druckverlust mit dpx bezeichnet wird.
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Die Überlegungen der Fig. 4 sollen nun aufzeigen, daß
auch bei einer derartigen Anordnung mit einem Expander
7" direkt nach dem Kathodenraum 4 auf eine zusätzliche
Fördereinrichtung im Bereich der Rückführung
verzichtet werden kann.
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Die hier angegebenen Druckwerte sind dabei rein
fiktiv, sie sollen lediglich die Funktionsweise des hier
prinzipmäßig dargestellten Aufbaus erläutern.
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Es wird beispielsweise bei einem Umgebungsdruck p0,
welcher hier mit 1 bar angenommen ist, in dem Filter
11 ein Druckverlust dpf von ca. 50 mbar auftreten. Im
Bereich nach dem Filter 11 herrscht dann also ein
Druckniveau von p0 - dpf = 950 mbar.
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Durch die Fördereinrichtung 5 wird dieses Druckniveau
auf den Druck p1 von beispielsweise 3,5 bar vor dem
Kathodenraum 4 verdichtet. Nach dem Durchströmen des
Kathodenraums 4, welcher ebenfalls einen Druckverlust
aufweist, wird ein Druck p2 von ca. 3,2 bar vorliegen.
Dieser Druck wird in dem Expander 7" auf ein
Druckniveau expandiert, welches es erlaubt, daß die weiteren
Komponenten 12 noch durchströmt werden können. Wenn
man für die weiteren Komponenten 12 einen Druckverlust
dpx von ca. 100 mbar annimmt, so ergibt sich zwischen
der Ventileinrichtung 10 mit der Mündung der
Rückführung 6 und dem Bereich vor der Fördereinrichtung 5 ein
Druckgefälle von dpx + dpf, also von rund 150 mbar,
was eine Rückströmung in dem durch die
Ventileinrichtung 10 vorgegebenen Maße erlaubt.
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Die günstigen Eigenschaften einer derartigen Anordnung
lassen sich also auch bei einem unter höherem Druck
betriebenen Aufbau nutzen, wobei zur energetischen
Optimierung eine Rückgewinnung von Energie durch die
Expander 7' bzw. 7" als Drosseleinrichtungen vorgesehen
sein kann.