DE1751198A1

DE1751198A1 - Verfahren und Anlage zur Energieerzeugung unter Verwendung thermodynamischer Zyklen bei Raumtemperatur kondensierbarer Gase

Info

Publication number: DE1751198A1
Application number: DE19681751198
Authority: DE
Inventors: Ennemond Maillet
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1967-04-20
Filing date: 1968-04-19
Publication date: 1971-05-27
Also published as: GB1222712A; ES352910A1; LU55888A1; BE713557A; CH490604A; FR92193E

Description

PATENTANWALT DR. HAN8 ULRICH MAY

8 MÖNCHEN a, ΟΤΤΟβΤΗΑββΕ 1· 1751198

TELEFON COSH) ββ SO M B.2358-3 AT München, 19. April 1968

Dr.M./Eh

CP 212/600

Commissariat a !'Energie Atomique in Paris / Trankreich

Verfahren und Anlage zur Energieerzeugung unter Verwendung the~modynamischer Zyklen bei Raumtemperatur kondensIerbarer

Oase I

Die Erfindung betrifft ein Verfahren eur EnergieerBeugung sowie eine Anlage eur Durchführung dieses ader jedes entsprechenden Verfahrens. Sie ist Inabesonder· anwendbar bei der Energieereeugung durch Oaakreialauf aus der von einem Kernreaktor freigesetzten Warne. Jedoch ist die Erfindung keineswegs auf diese besondere Anwendung hegrenst. Sie erstreckt sich beispielsweise auf die Erzeugung von Energie aus jeder anderen Wärmequelle, Ib üblichen Wäntekraftwerken mit thermodynamlschen Oassyklen.

Ea let bekannt, die Ausbeute von thermodynamisohen Krelsprosessen cu verbessern, indem man als Arbeitsmedium ein leicht kondensierbares Gas, wie Kohlendioxid, verwendet und die Kompression in der Hähe der Sättigungekurve vornimmt und eine teilweise Verflüssigung des Arbeitemediums bewirkt.

BAD ORiGiNAL 109822/0433

In üblicher Weise wird das Gas des Kreislaufs (insbesondere Kohlendioxid) von einer Wärmequelle, beispielsweise einem Kernreaktor r erhitzt, erfährt anschließend eine energieerzeugende Entspannung und gelangt in einen Wärmeaustauscher, bevor es in einer Kältequelle gekühlt wird. Das gekühlte Gas wird an= schließend komprimiert und strömt dann durch den Wärmeaustauscher, wo es sich vor der Eüclckehr zur Wärmequelle erwärmt.

Ein Teil des Gases wird vor der Kompression abgenommen und durchläuft eine Zusatzkühlung, die seinen Obergang in den flüssigen Zustand bewirkt. Die kondensierte Flüssigkeit wird von einer Pumpe komprimiert und in den Wärmeaustauscher geschickt, wo sie verdampft, bevor sie erneut mit dem komprimierten Gas gemischt wird. Die ZusatEkiihlimg des Gases erfolgt im Zweiphasenbereich in der Nähe des kritischen Punktes und gegebenenfalls selbst im überkritischen Bereich. Die Wiedererwärmuag durch Austausch mit den aus der Turbine austretenden Gasen im Wärmeaustauscher erfolgt im überkritischen Bereich, so daS das Gas kontinuierlich vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht, ohne daß eine Trennung in zwei Phasen erfolgt.

Dieses Verfahren ermöglicht eine gute Ausbeute des thermodynamik sehen Kreisprozesses, indem die an die Kältequelle abgegebene Wärmemenge herabgesetzt wird, und ermöglicht auch eine leichtere Wärmerückgewinnung Belachen dem bei niedrigem und bei hohem Druck befindlichen Gaa.

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Ferner 1st es vorteilhaft, wenn das verwendete Gaa das Kühlgas eines Kernreaktors ist,, die Entspannung in zwei Stufen» die eine stromaufwärts und die andere stromabwärts vom Kernreaktor, vor·=· suaehmeiii wie es in der fransösischen Patentschrift 1 408 858 beachrieben ist. Durch dieses Verfahren kann eine gute Ausbeute fies Gassyklus gefcfihrle±3tet werden, da eine Kompression bei hohem Druck stattfindet ,'-während, im Kernreaktor ein genügend niedriger Druck erhalten bleibt, der innerhalb der-vom. Reaktor vorgegebenen ' Grenzen liegt.

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Sie Erfindung ermöglicht öie Vereinigung der Vorteile dieser beiden bekannten Verfahren.

Man'erhält jedoch einen Zyklus mit ziemlich geringer Ausbeute, wQwa. san die beiden Verfahren in der Weise kombiniert, daß vor dem Reaktor das im Wärmeaustauscher wieder erwärmte, von der Mischung der kondensierten Fraktion mit der nur komprimierten Fraktion herkommende Gas eine erste Entspannung erfährt. Der ziemlich niedrige Wert'der Ausbeute ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß die Temperatur des komprimierten Gases einer- ' seits und die des Gases nach der ersten Entspannung andererseits nalie beieinanderliegen. Dieser Nachteil ist besonders spürbar, wenn das Gas in die Wärmequelle mit einer verhältnismäßig niedriges) temperatur eintreten muß, was bei bestimmten Kernreaktoren der Fall ist.

Die Erfindung ermöglicht auch die Beseitigung dieses Fachteils. Sie erlaubt die Vereinigung der Vorteile der beiden oben erwähnten Verfahren -unter ..Srssielung einer guten Ausbeute des Gesamtzyklus.

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BAÖ OfttättAt.

- 4 - ■- v/51198

Außerdem führt sie zu einer zusätzlichen Verbesserung des Wir» kungsgrades der Wärmerückgewinnung infolge eines besseren Gleich» gewiehts der Wärmeübertragungen im Wärmeaustauscher,

Brfindungsgemäß wird also ein Verfahren zur Energieerzeu=» gungj das ein leicht kondensierbares Gas als Arbeitsmedium benutet und in dem dieses Arbeitsmedium einen thermodynamischen Kreisprozess durchläuft, in welchem es nacheinander eine Hauptentspan«-

niedrigen
nung bis auf einen / Brück, eine Abkühlung unter Wärmeaus»

und
tausch,/eine zweite Abkühlung durch Austausch mit einer Kälte==· quelle durchläuft, worauf das komprimierte Arbeitsmedium in eine erste und sweite Fraktion aufgeteilt wird, die beide komprimiert werden und von denen die erste Fraktion bis zum Erreichen des flüssigen Zustande abgekühlt und im flüssigen Zustand komprimiert, in einer ersten Wiedererwlbnnungsstufe der Flüssigkeit diese durch Rückgewinnung der Wärme des bei dem niedrigen Druck entspannten Arbeitsmediums erhitzt und dabei in den gasförmigen Zustand über« führt wird und die beiden Fraktionen eine zweite Wiedererwärmungs~ stufe durch Rückgewinnung der Wärme des entspannten Arbeitsmedium» und anschließend durch Austausch mit einer Wärmequelle durch» laufen, vorgeschlagen, wobei die Kompression der ersten Fraktion im flüssigen Zustand bis zu einem hohen Druck und die Kompression der zweiten Fraktion bis zu einem unterhalb des hohen Drucke liegenden mittleren Druck erfolgt und die erste Fraktion zwischen der ersten und zweiten Wiedererwärmungsstufe eine erste Entspannung erfährt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung, das besondere der Verwendung eines im überkritischen Zustand leicht kondenelerbaren

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BAD

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Sases aid Arbeitsmedium angepaßt ist, liegt der hohe Druck erheblich über dem kritischen Druck des Mediums, und die erste Wiedererhitzungsstufe durch Wärmerückgewinnung unter Übergang in den gasförmigen Zustand erfolgt unter überkritischen Bedingung gen« Im Verlauf dieser Wiedererwärmung findet also keine Trennung des Mediums in zwei Phasen statt.

Eine bevorzugte Ausfxüirungsfona des erfindungsgemäßen Yerfahrens _e bei der die beiden !Traktionen des Arbeitsmediums im Wärmeerzeuger getrennt bleiben, ist besonders interessant, wenn der Wärme.'» von Haus aus swei besondere Bereiche mit verschiedenen

Wärmeeigenäehaften aufweist. Das ist beispielsweise der wenn der Wärmeerzeuger ein Kernreaktor, insbesondere ein mit schnellen Neutronen arbeitender Kernreaktor, ist, der swei Be= reiche mit verschiedenen spezifischen Leistungeinjaufweist. Es ist dann vorteilhaft, den Bereich mit höherer spezifischer Leistung durch relativ kalt und mit großer Geschwindigkeit eintretendes Arbeitsmedium mit einem hohen Druckabfall zu kühlen, wobei das Arbeitsmedium aus der von einem hohen auf den mittleren Druck entspannten ersten Fraktion besteht, während der Bereich mit ge« ringerer spezifischer Leistung durch die zweite Fraktion gekühlt wird, die sich eingangs bei dem mittleren Druck und höherer Temperatur befindet, da sie unmittelbar von der Wärmerückgewinnung kommt.

Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zur Erzeugung von Energie nach dem obigen Verfahren, die sich im wesentlichen* auszeichnet durch Vorrichtungen» um ein Arbeitsmedium im geschlossen

ffRlffiifjm zu lassen , „ η·η Kreislauf/zwischen einem Wärmeerzeuger, einer Hauptentepan~

1098 22/04 3 3 BAP OfMGINAL

nungeturbine, vo sich daa Medium bid auf einen niedrigen Druck entspannt, einem Wärmeaustauscher zur Wärmerückgewinnung, einer Kältequelle, einem Kompressor, einem Kondensator, wo eine erste Fraktion des Mediums in den flüssigen Zustand überführt wird, einer Pumpe, welche die Flüssigkeit i» Wärme= rückgewinnungsaustauscher, wo sie sich wieder erwärmt und in den gasförmigen Zustand übergeht, umpumpt, einer Hochdruckentspannungen turbine und einer IJebenleitung des Kompressors zum Wärmeerzeuger für eine zweite, bei mittlerem Druck befindliche Fraktion des Mediums, die durch den Wäi-jaerückgewinnungsaustauscher, wo sie sich durch Wärmeaustausch mit dem bei niedrigem Druck befindlichen Kedium wieder erwärmt, strömt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer besonderen Ausführungsform des erfindungegemäBen Verfahrens zur Energieerzeugung, ohne dafl dieses Beispiel einschränkend zu verstehen ist. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Figuren 1 bis 3. Hierin zeigen: Fig. 1 einen thermodynamischen Kreisprozess entsprechend einer

ersten Ausführungeform des erflndungsgemäßen Verfahrene; Fig. 2 einen Kreisprozess entsprechend einer zweiten Ausführungen form;

Fig. 3 schematiech die Anlage sjur Durchführung des Verfahrens dem Kreisprozess der Fig. 1.

Das beschriebene Bnergleerzeugungsverfahren benützt einen Gas eyklus. Das Arbeitsmedium 1st Kohlendioxidgas, welches in einen Kernreaktor erhitzt wird. Die Gesamtdurehflußmenge des Arbeite mediums wird im Verlauf des Zyklus in zwei Fraktionen aufgeteilt,

1 09822/0433 b*&

iron denen die eine in Gasform komprimiert wird, während die andere in den flüssigen Sustand Übergeht. @

Dme Arbeitsmedium durchläuft im Verlauf dieses Zyklus drei kennzeichnende Drücke: linen niedrigen Druck am Ausgang der Turbine, wo die Hauptentspannung erfolgt, einen mittleren Druck am Ende der Kompression der gasförmig bleibenden Fraktion und einen hohen Brück entsprechend dem Höchstdruck der flüssigen Fraktion·

Xn den Fig. 1 und 2 ist die Verschiebung des Zustandspunktes der stets gasförmig bleibenden Fraktion gestrichelt und die des ™ gustandspunkts der in den flüssigen Zustand Übergehenden Fraktion ausgesogen gezeichnet. Die Entropien sind als Abszissen und die Temperaturen als 'Ordin&ten aufgetragen,

wird

Der Kreisprozess der Fig. 1 / mit Besug auf Fig· 3 beschrieben, die eine Anlage zur Durchführung dieses Verfallene zeigt.

Das im Kernreaktor 1 erhitzte gasförmige Medium wird in einer Hauptturbine 2 entspannt, die einen Wechselstromgenerator 3 antreibt. Durch die Turbine 2 geht der gesamte Baedurchfluß. Im Verlauf der Entspannung verschiebt sich der Zuständspunkt in Fig. 1 von A nach B.

Das so bis auf den niedrigen Druck des Kreisprozesses entspannte Gas durchströmt anschließend einen Rückgewinnungs^Wärmeauatauecher 4» wo es sich gemäß B-D der Fig. 1 abkühlt. Ea kühlt sich zunächst durch Austausch mit den beiden Fraktionen des in getrennten Bündeln βtrömendesn Mediums ab (gemäß B-C) und darauf durch Wärmeaustausch

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OftlGINAi.

mit nur der ersten Fraktion, die sich dann im flüssigen Sustand befindet (gemäß C-D).

Am Ausgang des Wärmeaustauschers 4 wird die Abkühlung dee Gases von B nach E in einem Wärmeaustauscher 5 weitergeführt, der die KIiI te quell© darstellt. Bas Gas wird anschließend einen Kompressor 6 zugeführt, auf dessen Höhe sich der Gasflufl in swei Fraktionen teilt. Dieser Kompressor kann durch mehrere in Beihe geschaltete Kompressoren ersetzt werden.

Nach einer Teilkompression von £ nach F wird die erste Fraktion, welche vorzugsweise mindestens die Hälfte des Gesamtdurchsatzes ausmacht, im Kühler 7 einer Zusatzkühlung unterworfen. Biese Kühlung erfolgt bis auf eine so niedrige Temperatur, daß der Zustandepunkt in Fig. 1 die Sättigungskurve X durchschreitet, d.h. das Medium eich verflüssigt· Der Druck dieser Fraktion dee Mediums bei F₉ also wo sie vom Kompressor 6 abgenommen wird, ist so gewählt, daß die Kondensation gemäß G-H in der Iahe dee kritischen Punkts erfolgt.

Die Flüssigkeit des Kondensators 7 wird von einer Pumpe 8 auf« genommen und auf den hohen Brück komprimiert. Ber Zustandepunkt der Fig. 1 verschiebt sich hler von H nach I. BIe Größe dieses hohen Brücke ist so gewählt, daß die kritischen Bedingungen erheb* Hch überschritten werden·

Bie erste Fraktion des Arbeitsmediums, die sich im flüssigen Zustand und bei hohem Brück befindet, wird anschließend ia Rück» gewinnvmgs Wärmeaustauscher 4 durch Austausch mit des »it niadri»

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gem Druck vom Ausgang der Turbine 2 kommenden Gas wiedererwärmt. Biese Wiedererwärmung erfolgt im überkritischen Bereich von I nach J in Fig. 1. Die Flüssigkeit geht allmählich in den gasförmigen Zustand über» ohne daß eine Trennung in zwei Phasen.statt» findet. Infolge der hohen spezifischen Wärme des Arbeitsmedium* im Überkritischen Bereich nimmt es von I bis J die gesamte von C bis D vom tfiederdruckgaa abgegebene Wärme auf.

Bas nunmehr gasförmig vorliegende, bei hohem Brück befindliche

sie/» ,

Arbeitsmedium erwärmt/vielter von J nach K in einem zweiten Ab=*

schnitt des Wärmeaustauschers 4 sur Rückgewinnung nur eines Teils der vom Mederdruelrgas bei® Übergang von B nach C abgegebenen Wärme,

Während der gleichen Zelt wird die zweite Fraktion des Arbeitemediums in Gasphase von E nach M bis auf den mittleren Brück im zweiten Abschnitt des Kompressors 6 komprimiert. Bas komprimierte Gas wird anschließend im Rüokgewimiungo-Wärmeaustauscher 4 durch _: Austausch mit dem JTiederdruckgas parallel mit der Hoehdruokfraktion wieder erwärmt. Der Zustandepunkt in Fig. 1 geht von M nach N durch Rückgewinnung eines Teils der vom Hlederdruokgae gemäß BC abgegebenen Wärme. Bas vorgewärmte Gas wird anschließend im Kernreaktor 1 von N nach A wieder erwärmt.

Bie am Ausgang des RÜckgewinnungs-Wärmeaustauschere 4 bei hohen Brück befindliche Fraktion wird ebenfalls eur Wiedererwärmung in den Kernreaktor 1 zurückgeleitet, durchströmt jedoch zuvor eine Hochdruckturbine 9» wo sie eine erste Entspannung von K naoh L (71g* 1) bis auf einen Brück erfährt, der oberhalb des Brück« der «weiten Fraktion am Ausgang des Kompressors 6, d.h. htther ale der

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mittlere Druck, gewühlt let. Im Kernreaktor erhitzt eich Ale ere te fraktion wieder τοη L nach A₉ und die beiden Fraktionen werden am Ausgang des Kernreaktor· gemischt, um in einen neuen Kreislauf einzutreten.

In dem besonderen Fall der in Fig. 3 gezeigten Anlage werden die beiden Fraktionen in gesonderten Teilen des Kernreaktors 1 wieder erwärmt. Diese Ausführung ist besonders günstig, wenn der Kernreaktor zwei Bereiche besitzt, in denen der HeutronenfluB verschieden ist. Das ist insbesondere der Fall bei mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktoren, die einen spaltbaren Kern umgeben von einer Brutmaterialhillle besitzen, da der VeutronenfluS und Wämefluö in der Brutmaterialhülle kleiner als im spaltbaren Kern sind. Der gleiche Fall ist bei bestimmten schwer» wassermoderierten Kernreaktoren gegeben.

Am Eingang des Kernreaktors 1 befindet sich die erste Fraktion des Arbeitsmediums (Funkt I) bei eine, geringeren Temperatur als die zweite Traktion (Funkt H) da sie sl3h bei der Entspannung K-L abgekühlt hat. Sie befindet ο ich außerdem bei höherem Druck. Sie wird dann in dem Bereich des Kernreaktors, wo der Heutronen» und Wärmefluß am stärksten ist, wiedererwärmt und strömt dort mit hoher Geschwindigkeit und einem verhältnismäßig hohem Druckabfall. Umgekehrt wird die heißere zweite Fraktion in den einen geringeren Bfoutronenflufi aufweisenden Bereich eingeführt, wo eie einen geringeren Druckabfall erfährt.

Außerdem wird bei der beschriebenen besonderen Ausführungeform die Fumpe 8 von der Turbine 9 angetrieben, die von der bei hohem Brück

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befindlichen Fraktion des Arbeitsmediuas angetrieben wird. Me bei hoher Semperatw und niedrigem Druck arbeitende Turbine 2 treibt nicht nur den Wechselstromgenerator 3 sondern auch den Kompressor β an.

Fig. 2 erläutert eine Abhandlung des Kreisprozesses der Fig. 1, wobei die Kompression des Gesamtdurchsatzes des Gases in strei aufeinanderfolgenden Stufen (E1~F1 und E2-F2) mit Zwischenkühlung durchgeführt wird· Außerdem erfolgt die Wiedererwärmung des ersten Fraktion des Arbeitsmediums im Kernreaktor toder jedem anderen Wärmeerzeuger) in zwei aufeinanderfolgenden Stufen K-P und Ij-A mit einer swischengeschalteten Entspannung BrXu

Im Rahmen der Erfindung liegen auch noch weitere Abwandlungen« Insbesondere kann der Übergang der ersten Fraktion in den flüssigen Zustand im Zweiphasenbereich, wie bei den obigen Ausführungsformen, oder durch Kondensation im Überkritischen Bereich ohne Durchschreiten der Sättigungslinie erfolgen. Ebenso ist das oben für Kohlendioxid beschriebene Verfahren auch mit jedem anderen leicht kondensierbaren Gas, wie SOg, durchführbar· (j

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Claims

Patentansprüche

1. )j Verfahren zur Energieerzeugung, insbesondere aus der von einen Kernreaktor abgegebenen Wärme unter Verwendung eines leicht konden* sierbaren Gases als Arbeitsmedium, das in einem thermodynamischen Kreisprozess nacheinander die folgenden Stufen durchläuft« Sine Hauptentspannung bis auf einen niedrigen Druck, eine Abkühlung unter Wärmerückgewinnung, eine zweite Abkühlung durch Wärmeaustausch mit einer Kältequelle, die Auftrennung des komprimierten Arbeitsmediums in eine erste und eine zweite Fraktion, die Kompression der beiden Fraktionen, von denen die erste bis zum flüssigen Zustand abgekühlt und im flüssigen Zustand komprimiert wird, worauf in einer ersten Wiedererwärmungastufe die Flüssigkeit unter Übergang in den gasförmigen Zustand durch Rückgewinnung der Wärme des auf niedrigen Spuck entspannten Arbeitsmediums er» wärmt wird, eine zweite Wiedererwärmungsstufe der beiden Fraktionen durch Bückgewinnung der Wärme des entspannten Arbeitemediums und anschließenden Wärmeaustausch mit einem Wärmeerzeuger, dadurch gekennzeichnet, daS die Kompression der ersten Fraktion im flüssigen Zustand bis zu einem hohen Druck und die Kompression der zweiten Fraktion bis zu einem unterhalb des hohen Drucke liegenden mittleren Druck durchgeführt werden und die erste Fraktion zwischen der ersten und zweiten Wiedererwärmungsstufe eine erste Entspannung erfährt.

2«) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hohe Druck erheblich über dem kritischen Druck des Arbeitsmediums liegt und die erste Wiedererwärmungsstufe durch Wärmerückgewinnung unter Übergang in den gasförmigen Zustand unter überkritischen Bedingungen erfolgt.

109822/0433 BAO oRWrtNAL.

3«) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Entspannung der ersten Fraktion bis auf einen über dem mittleren Druck liegenden Druck erfolgt.

4.) Verfahren nach Anspruch 1,2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fraktion in einem Bereich jjoher spezifischer Leistung des Wärmeerzeugers und die zweite Fraktion in einem Bereich geringerer spezifischer Leistung desselben wiedererwärmt werden.

5.) Anlage zur Energieerzeugung, gekennzeichnet durch Vorrichtun- | Weiterleiten *

gen zum / eines Arbeitsmediums im geschlossenen Kreislauf

einem
zwischen/varmeerzeuger (1), einer Hauptentspannungsturbine (2), wo das Arbeitsmedium bis auf einen niedrigen Druck entspannt wird, einem Rückgewinnungs-Wärmeaustauscher (4)» einer Kältequelle (5), einem Kompressor (6), einem Kondensator (7), wo eine erste Fraktion des Arbeitsmediums in dem flüssigen Zustand überführt wird, einerPumpe (8), welche· die Flüssigkeit im Rückgewinnung«- Wärmeaustauscher strömen läßt, wo sie sich wiedererwämt und in den gasförmigen Zustand übergeht, einerHochdruckentspannungsturbl» (9) und eine Hebenleitung vom Kompressor zum Warmeerzeuger für ' eine zweite, bei einem mittleren Druck befindliche Fraktion des Arbeitemediums, die durch den Rückgewinnunga-Wärmeauetauaeher, wo sie aich durch Auetausch mit dem bei niedrigem Druck befind» lichem Arbeitsmedium wieder erwärmt, strömt.

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