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Anlage mit einem Kompressor und einer Expansionsmaschine Die Erfindung
bezieht sich auf eine Anlage mit einem Kompressor und einer Expansionsmaschine,
bei der zwischen Kompressor und Expansionsmaschine und hinter der Expansionsmaschine
je ein Wärmespeicher vorgesehen ist und die einen weiteren Wärmespeicher besitzt
und bei der ferner Mittel vorgesehen sind, um periodisch jeden der vor bzw. hinter
der Expansionsmaschine liegenden Wärmespeicher durch einen anderen Wärmespeicher
zu ersetzen, so daß wenigstens drei Wärmespeicher an dem Umschaltvorgang beteiligt
sind. Eine solche Anlage in Ausbildung als Wärmekraftanlage oder Kraftmaschinenanlage
ist bekannt; hierbei sind Mittel vorgesehen, um periodisch die beiden vor bzw. hinter
der Expansionsmaschine liegenden Wärmespeicher durch einen anderen Wärmespeicher
zu ersetzen, so daß wenigstens drei `'Wärmespeicher an dem Umschaltvorgang beteiligt
sind. Bei diesen Anlagen durchläuft ein Gas, das sich stets im gleichen Aggregatzustand
befindet, einen geschlossenen thermodynamischen Kreis. Diese meist mit einem Turbokompressor
und einer Expansionsturbine versehenen Anlagen dienen im allgemeinen als Kraftquelle,
können aber auch als Kältemaschine oder Wärmepumpe betrieben werden, wobei das von
dem Kompressor verdichtete Gas, nachdem es mit Wasser vorgekühlt ist, in einem Wärmeaustauscher
weiter abkühlt, in dem es in wärmeaustauschender Berührung mit dem in der Turbine
entspannten Gas ist. Derartige Wärmeaustauscher werden bei großen Anlagen sehr umfangreich
und baulich verhältnismäßig kompliziert.
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Anstatt dieser Wärmeaustauscher könnten Wärmespeicher Anwendung finden.
Einer dieser Wärmespeicher könnte an den Hochdruckleitungsteil des Systems und der
andere an den Niederdruckleitungsteil des Systems angeschlossen werden. Infolge
der Umschaltung dieser Wärmespeicher ergibt sich jedoch ein Druckaustausch zwischen
dem Wärmespeicher im Niederdruckleitungsteil und dem Wärmespeicher im Hochdruckleitungsteil.
Dieser Druckaustausch beeinträchtigt im allgemeinen den Wirkungsgrad der Anlage.
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Die Erfindung bezweckt, diese nachteilige Beeinflussung des Wirkungsgrades
möglichst zu verringern. Die Anlage nach der Erfindung bildet ein geschlossenes
System, und es ist wenigstens ein Raum vorgesehen, in dem ein Druck herrscht, der
zwischen demjenigen des Hochdruckleitungsteils und demjenigen des Niederdruckleitungsteils
liegt, mit welchem Raum der bzw. die Wärmespeicher in druckaustauschende Verbindung
gebracht werden können, der bzw. die weder mit dem Hochdruck- noch mit dein Niederdruckleitungsteil
verbunden sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Räume mit Drücken
vorhanden, die zwischen demjenigen des Hochdruckleitungsteils und demjenigen des
Niederdruckleitungsteils liegen, wobei die Drücke in den Räumen voneinander verschieden
sind und wobei Mittel vorgesehen sind, um den Wärmespeicher, der zuletzt an den
Hochdruckleitungsteil angeschlossen war, nach seiner Abkupplung der Reihe nach an
Räume mit jeweils niedrigerem Druck anzuschließen, während der Wärmeaustauscher,
der zuletzt an den Niederdruckleitungsteil angeschlossen war, nacheinander mit Räumen
mit jeweils höherem Druck in Verbindung gesetzt werden kann. Auf diese Weise erfolgt
der Druckaustausch in mehreren Stufen, wodurch die Energieverluste beim Umschalten
noch weiter verringert werden. Die Räume, an die der Wärmespeicher angeschlossen
wird, können leer sein. Es ist jedoch auch möglich, daß mehr als drei Speicherräume
vorgesehen sind, so daß ein zusätzlicher, mit wärmespeicherndem Material gefüllter
Raum vorhanden ist, wobei ein Speicher, der auf einen höheren Druck gebracht werden
muß, und ein Speicher, der auf einen niedrigeren Druck gebracht werden muß, aneinander
angeschlossen werden.
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Nach einem Ausführungsbeispiel werden die Wärmespeicher auf der Seite,
die den geringsten Temperaturunterschied mit der Umgebungstemperatur aufweist, mit
dem Raum mittleren Druckes in Verbindung gesetzt, so daß in diesem Falle die zur
Umschaltung der Speicher dienenden Ventile oder Hähne eine nur wenig von der Umgebungstemperatur
abweichende Temperatur annehmen.
Entweder der Kompressor oder die
Turbine besitzt mehrere Kompressions- bzw. Expansionsstufen mit verschieden hohen
Drücken, wobei dann ein Wärmespeicher beim Schalten an Stufen mit einem jeweils
niedrigeren oder jeweils höheren Druck angeschlossen wird. Es kann auch der Wärmespeicher
beim Schalten an die Stufe des Kompressors und die Stufe der Turbine angeschlossen
werden, deren Drücke die geringste Differenz aufweisen.
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Die Erfindung wird nachstehend all Hand einiger Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Fig. 1 stellt eine Anlage dar, die mit drei Wärmespeichern versehen
ist, die während des Schaltvorganges mit zwei Hilfsräumen mit verschiedenem Druck
verbunden werden können; in Fig. 2, 3, 4, 5, 6 und 7 sind verschiedene Schaltlagen
dargestellt; Fig.8 zeigt eine Anlage, bei der gleichfalls drei Wärmespeicher vorgesehen
sind, die jedoch an Druckstufen des Turbokompressors und der Expansionsturbine angeschlossen
werden können, während in Fig. 9 und 10 zwei Schaltlagen angegeben sind; Fig. 11
stellt eine Anlage mit vier Wärmespeichern dar, von denen beim Schalten je zwei
miteinander verbunden werden.
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Die Anlage nach Fig. 1 besteht aus einem geschlossenen Leitungssystem,
in das ein Turbokompressor 1 und eine Expansionsturbine 2 aufgenommen sind. Der
Turbokompressor und die Expansionsturbine haben eine gemeinsame Welle 3, mit der
auch ein -Motor 4 gekuppelt ist. An den Kompressor 1 ist eine Abfuhrleitung 5 für
das verdichtete Gas angeschlossen, in die ein Wasserkühler 6 aufgenommen ist. Der
Kompressor 1 weist weiter eine Zufuhrleitung7 auf; auf ähnliche Weise besitzt die
Expansionsturbine 2 eine Abfuhrleitung 8 mit einem Wärmeaustauscher 9 und eine Zufuhrleitung
10.
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Die Leitungen 7, 5, 10 und 8 sind je an einen Hahn 11, 12, 13 bzw.
14 angeschlossen. Die Hähne besitzen außer dem Anschluß an eine der Leitungen 7,
5, 10, 8 je drei Leitungen 15, 16, 17 bzw. 18, 19, 20 bzw. 21, 22, 23 bzw. 24, 25,
26. Die Hahnkörper haben je eine mittlere Öffnung 27, 28, 29 bzw. 30, mit denen
die Leitungen 7, 5, 10 und 8 ständig verbunden sind, und je einen radialen Kanal
31, 32, 33 bzw. 34, die durch Drehen der Hähne mit einer der Leitungen 15 bis 26
verbunden werden können.
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Die Leitungen 15, 18, 23, 26 sind an einen Wärmespeicher 35 angeschlossen;
auf ähnliche Weise sind die Leitungen 16, 19, 22, 25 an einen Wärmespeicher 36 und
die Leitungen 17, 20, 21, 24 an einen Wärmespeicher 37 angeschlossen.
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An die Leitungen 24, 25 bzw. 26 sind Leitungen 38, 39 bzw. 40 angeschlossen,
die ihrerseits all einen Hahn 41 angeschlossen sind. Dieser Hahn besitzt einen mittleren
Kanal 42, mit dem eine Leitung 43 ständig verbunden ist, und einen radialen Kanal
44, durch den die Leitung 43 mit den Leitungen 38, 39 und 40 in Verbindung gesetzt
werden kann. Die Leitung 43 steht mit einem Dreiwegehahn 45 mit einem Kanal 46 in
Verbindung, so daß der Kanal 42 entweder durch eine Leitung 47 mit einem Raum 48
oder durch eine Leitung 49 mit einem Raum 50, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist,
verbunden werden kann.
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Die Wirkungsweise der Anlage ist folgende: Von dem Kompressor 1 wird
ein Gas, beispielsweise Wasserstoff, komprimiert und durch die Leitung 5, den mittleren
Kanal 28 des Hahnes 12, den radialen Kanal 32 und die Leitungen 20 und 17 dem Wärmespeicher
37 zugeführt. Dieser Wärmespeicher ist auf bekannte Weise mit einer Füllmasse gefüllt,
mit der das Gas beim Hindurchströmen in wärmeaustauschender Berührung ist. Wird
die Anlage als Kältemaschine benutzt, so wird im Wärmespeicher 37 dem Gas Wärme
entzogen. Dann strömt das Gas durch die Leitungen 24 und 21 zum Hahn 13 und danach
durch den radialen Kanal 33, den mittleren Kanal 29 und die Leitung
10 zur Turbine 2.
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In dieser Turbine entspannt sich das Gas, wobei es weiter abkühlt,
wonach es durch die Leitung 8 zum Hahn 14 strömt. Im Wärmeaustauscher 9 nimmt das
Gas Wärme aus einem zu kühlenden -Mittel auf.
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Das Gas strömt durch den mittleren Kanal 30 und den radialen Kanal
34 des Hahnes 14 und die Leitung 26 zum Wärmespeicher 35, in dem es weiter erwärmt
wird, und dann durch die Leitung 15 zum Hahn 11. Durch den radialen Kanal 31 und
den mittleren Kanal 27 und die Leitung 7 strömt das Gas zum Turbokompressor 1. Während
dieser Periode ist der Wärmespeicher 36 durch die Leitungen 25, 39 und die Kanäle
44 und 42 des Hahnes 41 mit der Leitung 43 und dem Hahn 45 verbunden.
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Im Raum 48 herrscht ein Druck, der zwischen den Drücken in den Leitungen
5 und 7 liegt, ebenso wie der Druck, der im Raum 50 herrscht, der jedoch niedriger
als der Druck im Raum 48 ist. Während der Periode, in der das Gas durch die Speicher
35 und 37 hindurchströmt, wird der Wärmespeicher 36 zunächst mit dem Raum 48 in
Verbindung gesetzt, wodurch der Druck des Gases in diesem Wärmespeicher herabgesetzt
wird, und sodann durch Verstellung des Hahnes 45 mit dem Raum 50 (Fig. 2), wodurch
der Druck im Wärmespeicher 36 noch weiter herabgesetzt wird. Nach einiger Zeit wird
der Wärmespeicher 35 zu kalt, so daß er umgeschaltet werden muß. Die neue Stellung
der Hähne ist in Fig.3 dargestellt. Durch Umschaltung der Hähne 11 und 14 wird der
Wärmespeicher 36 in das Leitungssystem aufgenommen. Die Leitung 7 ist durch die
Kanäle 31 und 27 und die Leitung 16 an den Wärmespeicher 36 angeschlossen, während
die Leitung 8 durch die Kanäle 30, 34 und die Leitung 25 an diesen Wärmespeicher
angeschlossen ist.
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Der Wärmespeicher 35, der im Niederdruckleitungsteil angeschlossen
wird, wird durch die Leitungen 26 und 40 und die Kanäle 44 und 42 all die Leitung
43 und dann durch den Kanal 46 des Hahnes 45 und die Leitung 49 all das Niederdruckgefäß
50 angeschlossen. Infolgedessen wird der Druck des Gases im Speicher erhöht. Dann
wird der Hahn 45 gedreht, so daß der Wärmespeicher durch die Leitung 47 mit dem
Hochdruckgefäß 48 verbunden ist, wodurch der Druck noch weiter erhöht wird.
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Eine Periode später droht der Wärmeaustauscher 37 zu warm zu werden.
Die Hähne werden deshalb in die Stellung umgelegt, die in Fig.4 dargestellt ist.
Der Wärmespeicher 35, der ursprünglich eine niedrige Temperatur erhalten hatte und
dessen Druck erhöht ist, wird durch Drehen der Hähne 12 und 13 über die Kanäle 28
und 32 des Hahnes 12, die Leitungen 18, 26 und 23 und die Kanäle 33 und 29 des Hahnes
13 an die Leitungen 5 und 10 angeschlossen.
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Der Wärmeaustauscher 37 wird durch die Leitungen 24, 38, die Kanäle
44 und 42 des Hahnes 41, die Leitung 43, den Kanal 46 des Hahnes 45 und die Leitungen
47 an das Hochdruckgefäß 48 angeschlossen, wodurch der Druck des Gases im Speicher
herabgesetzt wird. Durch Drehen des Hahnes 45 und somit durch Anschluß an das Niederdruckgefäß
50 kann der Druck im Wärmespeicher 37 weiter herabgesetzt werden.
Eine
Periode später droht der Wärmespeicher 36 zu kalt zu werden. Die Hähne 11 und 14
werden dann verstellt, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Auf diese Weise wird
der Wärmespeicher 37 über die Kanäle 27, 31 des Hahnes 11, die Leitungen 17, 24
und die Kanäle 34, 30 des Hahnes 14 an den Niederdruckleitungsteil angeschlossen.
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Der Wärmespeicher 36, der ursprünglich an den Niederdruckleitungsteil
angeschlossen war, wird durch die Leitungen 25, 39, die Kanäle 44, 42, die Leitung
43, den Kanal 46 und die Leitung 49 an das Niederdruckgefä$ 50 angeschlossen, so
daß der Druck im Speicher erhöht wird. Dann wird der Hahn 35 verstellt, so da$ der
Speicher mit dem Hochdruckgefäß 48 in Verbindung steht und sein Druck weiter erhöht
wird.
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Fig.6 stellt den Zustand dar, der eine Periode später entstanden ist.
Der Wärmespeicher 35 ist an das Hochdruckgefäß 48 angeschlossen, wodurch der Druck
des Gases im Speicher herabgesetzt wird, wonach der Speicher an das Niederdruckgefäß
angeschlossen wird, so daß sein Druck weiter herabgesetzt wird.
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Der Wärmespeicher 36 ist durch die Hähne 12 und 13 mit dem Hochdruckleitungsteil
gekuppelt.
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In dem Zustand nach Fig. 7 ist der Wärmespeicher 37 mit dem Niederdruckgefä$
50 verbunden, wonach er an das Hochdruckgefäß 48 angeschlossen wird, so daß der
Druck im Speicher weiter erhöht wird.
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Der Wärmespeicher 35 ist durch die Hähne 11 und 14 mit dem Niederdruckleitungsteil
in Verbindung gesetzt.
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In der nächstfolgenden Periode ergibt sich wieder der Zustand nach
Fig. 1, so daß sich ein Umschaltzyklus abgespielt hat.
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Dadurch, daß die Wärmespeicher auf die Druckgefäße umgeschaltet werden,
wird während der einen Periode der Druck in den Gefäßen erhöht, während in der nächstfolgenden
Periode der Druck wieder herabgesetzt wird. Je mehr Druckgefäße vorhanden sind,
um so geringer sind die Verluste infolge von Druckaustausch.
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Das vorstehend beschriebene Verfahren kann auch Anwendung finden,
wenn statt eines Turbokompressors und einer Expansionsmaschine ein Kolbenkompressor
und eine Expansionskolbenmaschine vorgesehen sind.
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In Fig. 8 ist eine andere Ausführungsform dargestellt, während in
den Fig. 9 und 10 verschiedene Schaltstellungen dargestellt sind.
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In Fig. 8 sind Teile, die denjenigen der Fig. 1 entsprechen, mit den
gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Anlage hat einen Niederdruckturbokompressor
51 und einen Hochdruckturbokompressor 52, die durch eine Leitung 53 mit einem Wasserkühler
54 miteinander in Verbindung stehen.
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Die Anlage besitzt eine Expansionsturbine 55 mit drei Stufen, die
durch Leitungen 56 und 57 miteinander verbunden sind. Ebenso wie dies bei der in
Fig. 1 dargestellten Schaltstellung der Fall war, ist der Wärmespeicher 35 bei der
in Fig. 8 dargestellten Schaltstellung in den Niederdruckleitungsteil aufgenommen,
da der Wärmespeicher 35 durch die Kanäle 27, 31 des Hahnes 11, die Leitungen 15
und 26, die Kanäle 34 und 30 des Hahnes 14 mit den Leitungen 7 und 8 in Verbindung
steht.
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Der Wärmespeicher 37 ist in den Hochdruckleitungsteil aufgenommen,
da der Speicher durch die Kanäle 28, 32 des Hahnes 12, die Leitungen 20, 17, 24,
21 und die Kanäle 33, 29 des Hahnes 13 mit den Leitungen 6 und 10 in Verbindung
steht. Der Druck im Wärmespeicher 36, der, wie aus Fig. 7 ersichtlich (die Schaltung
der Fig. 8 entspricht völlig derjenigen der Fig. 1 bis 7), in einer früheren Schaltstellung
an den Hochdruckleitungsteil angeschlossen war, muß herabgesetzt werden. Der Druck
in der Leitung 56 ist höher als derjenige in der Leitung 53, und dieser ist seinerseits
höher als der Druck in der Leitung 57. Der Druck des Wärmespeichers 36 kann somit
dadurch herabgesetzt werden, da.ß dieser Speicher der Reihe nach an die Leitungen
57, 53, 56 angeschlossen wird.
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Zu diesem Zweck sind die Leitungen 57, 53, 56 über eine Leitung 58,
59 bzw. 60 mit einem Hahn 61 gekuppelt, an den die Leitung 43 angeschlossen ist.
In der Stellung des Hahnes 61, der einen mittleren Kanal 62 und einen radialen Kanal
63 aufweist, wie in Fig. 8 dargestellt ist, ist der Wärmespeicher 36 über die Leitungen
25, 39, die Kanäle 44, 42 des Hahnes 41, die Leitung 43, die Kanäle 62, 63 und die
Leitungen 60 und 56 mit einer Stufe der Turbine verbunden, so daß der Druck des
Gases im Wärmespeicher herabgesetzt wird und ein Teil des Gases sich in der Turbine
entspannt.
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Dann wird der Hahn 61 in die Stellung versetzt, die in Fig. 9 dargestellt
ist. Der Wärmespeicher ist jetzt durch die Leitungen 59, 53 mit dem Kompressor 52
verbunden, wobei der Druck des Gases im Speicher weiter herabgesetzt wird.
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Danach wird der Hahn 61 in die Stellung umgelegt, die in Fig. 10 dargestellt
ist. In diesem Falle ist eine Verbindung des Speichers durch Leitungen 58, 57 mit
der Niederdruckstufe der Turbine hergestellt, so da$ der Druck des Gases im Speicher
weiter herabgesetzt wird.
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Dann können die Hähne 11, 12, 13 und 14 in die Stellung gedreht werden,
die in Fig. 3 dargestellt ist. In jeder der Stellungen nach Fig. 3 bis 7 kann durch
Drehung des Hahnes 61 der Druck eines Wärmespeichers entweder erhöht oder herabgesetzt
werden.
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Bei der Anlage nach Fig. 11 sind Teile, die denjenigen der Fig. 1
entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Anlage besitzt vier
Wärmespeicher 35, 36, 37 und 64, während die Hähne 11, 12, 13 und 14 je vier Leitungen
haben, an die die radialen Kanäle 31, 32, 33 bzw. 34 angeschlossen werden können.
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Der Wärmespeicher 64 steht durch die Leitungen 65, 66, 67 und 68 mit
den Hähnen 11, 12, 13 bzw. 14 in Verbindung.
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Außerdem sind die Wärmespeicher mit Leitungen 69, 70, 71 und 72 versehen,
die an einen Hahn 73 angeschlossen sind. Durch einen Kanal 74 im Hahnkörper können
entweder die Leitungen 70 und 71 oder die Leitungen 69, 72 miteinander in Verbindung
gesetzt werden.
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In dem Zustand nach Fig. 11 ist der Speicher 35 in das Niederdruckleitungssystem
und der Speicher 37 in das Hochdruckleitungssystem aufgenommen. Der Speicher 36,
der in einer vorhergehenden Periode mit dem Niederdruckleitungssystem verbunden
war, und der Speicher 64, der in jener Periode mit dem Hochdruckleitungssystem verbunden
war, stehen über die Leitungen 25, 70, den Kanal 74 des Hahnes 73 und die Leitungen
71, 68 miteinander in offener Verbindung. Dadurch ergibt sich ein Druckaustausch,
so daß der Druck des Gases im Speicher 36 erhöht und der Druck des Gases im Speicher
64 herabgesetzt wird.
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In einer folgenden Periode wird durch Drehung der Hähne 11, 12, 13
und 14 der Speicher 64 an den Niederdruckleitungsteil und der Speicher 36 an den
Hochdruckleitungsteil
angeschlossen, während die Speicher 35 und
37 über den Hahn 73 miteinander in offener Verbindung stehen. In ähnlicher Weise,
wie an Hand der Fig. 1 erläutert worden ist, ist auf diese Weise ein aus vier Perioden
bestehender Umschaltzyklus erzielbar.
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Wenn ein Wärmespeicher gleichzeitig sowohl mit der Druckstufe eines
Kompressors als auch mit der Druckstufe einer Turbine gekuppelt werden muß, können
bei der Ausführungsform nach Fig. 8 in den Leitungen 58, 59 und 60 Hähne vorgesehen
werden, die den Hähnen 11, 12, 13 und 14 entsprechen, wobei das Leitungssystem durch
jeden Hahn mit sämtlichen drei Wärmespeichern in Verbindung gesetzt werden kann.
Der Hahn 63 ist bei dieser Ausführungsform selbstverständlich entbehrlich.