DE2923049A1 - Verfahren zur energierueckgewinnung aus der abwaerme einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur energierueckgewinnung aus der abwaerme einer verbrennungskraftmaschine

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DE2923049A1 DE19792923049 DE2923049A DE2923049A1 DE 2923049 A1 DE2923049 A1 DE 2923049A1 DE 19792923049 DE19792923049 DE 19792923049 DE 2923049 A DE2923049 A DE 2923049A DE 2923049 A1 DE2923049 A1 DE 2923049A1
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Description

Bezeichnung:
Verfahren zur Energierückgewinnung aus der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energierückgewinnung aus der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine in einer Untertage-Lokomotive.
Es ist grundsätzlich bekannt, bei einer Verbrennungskraftmaschine den Energieinhalt mit Hilfe einer sogenannten Abgasturbine noch auszunutzen und auf diese Weise eine zusätzliche Wellenleistung zur Abdeckung wenigstens eines Teiles des Energiebedarfs von Zusatzaggregaten abdecken zu können. Soweit dieser zusätzliche Bedarf an Wellenleistung nicht von der Abgasturbine gedeckt werden konnte, mußte der verbleibende Bedarf an Wellenleistung über den Motor unmittelbar bereit
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gestellt werden. Dies bereitete jedoch üblicherweise keine großen Schwierigkeiten, da in der Regel die Möglichkeit besteht, eine entsprechend größere Verbrennungskraftmaschine einzusetzen, um den Energiebedarf des ganzen Aggregates abzudecken. Bei dem Einsatz in Untertage-Lokomotiven sind hier jedoch von verschiedenen Seiten her Grenzen gesetzt. Zum einen kann im Hinblick auf die beengten räumlichen Verhältnisse ein Untertage-Fahrzeug nicht beliebig vergrößert werden, sondern es wird eher angestrebt, den Raumbedarf möglichst zu reduzieren. Darüber hinaus ist bei derartigen Untertage-Pahrzeugen zu berücksichtigen, daß durch die Wärmeabgabe im Form von Strahlung, geheizter Kühlluft und heißen Auspuffgasen zusätzlich die ohnehin schon hohe Umgebungstemperatur noch durch die zusätzliche Wärmeabgabe der Untertage-Fahrzeuge erhöht wird.
Gemäß einem Uberschlagswert muß für die Bewetterung eines Untertage-Betriebes etwa 4 m3/h Luft pro installierte PS Untertage bereitgestellt werden. Die Bereitstellung derartiger Luftmengen wird mit zunehmender Teufe immer schwieriger und aufwendiger.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Energierückgewinnung aus der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, mit dessen Hilfe der Energiebedarf der notwendigen Zusatz- und Hilfsaggregate gedeckt werden kann, ohne daß hierzu auf die Wellenleistung der Verbrennungskraftma-
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schine selber zurückgegriffen zu werden braucht, um so entweder bei gleichem Kraftstoffeinsatz eine höhere Antriebsleistung zur Verfügung stellen zu können oder aber bei gleicher Antriebsleistung eine kleinere Antriebseinheit mit geringerem Brennstoffverbrauch einsetzen zu können.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Teil der Abwärme zur Erzeugung zusätzlicher Wellenenergie und ein Teil der Abwärme zur Kälteerzeugung mit einer Absorptionskältemaschine benutzt wird. Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, daß die nicht für die Wellenleistung des Motors selbst nutzbar gemachte Wärmeenergie für eine zusätzliche Wellenleistung nutzbar gemacht werden kann, durch die Zusatzantriebe für Pumpen, Ventilatoren, elektrische Generatoren usw. angetrieben werden. Daneben wird über die Absorptionskältemaschine "Kälteenergie" zur Verfügung gestellt, mit deren Hilfe eine Klimatisierung der Fahrstände des Untertage-Fahrzeuges erzielt werden kann, so daß die Arbeitsbedingungen für das Personal verbessert werden können. Der Vorteil läßt sich anhand einer Energiebilanz am besten verdeutlichen. Setzt man bei einem herkömmlichen Untertage-Fahrzeug auf der Verbraucherseite folgenden Leistungsbedarf in KW an, so ergibt sich:
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- t
Antrieb 68
Lichtmaschine 0,5
Motorenventilator 5
Klimaanlage 5
Sonstiges 1,5
Summe 80
Hieraus resultiert, daß zur Abdeckung dieses Energiebedarfs ein Motor mit einer Wellenleistung von 80 KW vorgesehen werden muß.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ergibt sich folgender Energiebedarf:
Antrieb 68
Lichtmaschine 0,5
Motorenventilator 0,0
Klimaanlage 5
Sonstiges 1,5
Wärmetransport ca. 4
Summe 79
Zur Abdeckung dieses Energiebedarfs stehen zur Verfügung:
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Absorptionskältemaschine
Wärmekraftmaschine
ζ. Β. Turbine
Summe 29 Durch Motor abzudeckende
Wellenleistung 50
Summe 79
Aus dieser Gegenüberstellung ergibt sich, daß aufgrund der besseren Energieausnutzung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein kleinerer Antriebsmotor eingesetzt werden kann oder aber eine höhere Wellenleistung bei gleichem Energieeinsatz zur Verfügung steht.
Die Ausnutzung der Abwärme kann nun in verschiedener Form vorgenommen werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Abgase der Verbrennungskraftmaschine einem Wärmetauscher zur Aufheizung des Arbeitsmittels für eine Turbine und danach dem Austreiber einer Absorptionskältemaschine zugeführt wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß bei entsprechender Auslegung des Wärmetauschers und entsprechender Auswahl des Arbeitsmittels für den Betrieb der Turbine die über die Abgabe zur Verfügung stehende hohe Gastemperatur weitgehend in nutzbare Wellenleistung umgesetzt wird. Da jedoch die Abgase nach Austritt aus dem Wärmetauscher
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noch ein ausreichendes Temperaturniveau aufweisen, kann hiermit der Austreiber der Absorptionskältemaschine beaufschlagt werden und so die gewünschte 'Kälteenergie" erzeugt werden.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die im Kühlwasserkreislauf und/oder im Schmierölkreislauf der Verbrennungskraftmaschine anfallende Wärme an einer ihrem Temperaturniveau entsprechenden Stelle über einen Wärmetauscher dem Kältemittelkreislauf der Absorptionskältemaschine zugeführt wird. Durch diese Verfahrensweise wird nicht nur die in den Abgasen enthaltene Wärmeenergie sondern auch die aus der Kühlung der Verbrennungskraftmaschine abgeführte Wärmeenergie in nutzbare Energie, hier "Kälteenergie", umgesetzt. Da durch diese Verfahrensweise die erforderlicheKühlung des Kühlmittels und des Schmieröls über den Kältemittelkreislauf der Absorptionskältemaschine erfolgt, entfällt die Ventilator-Antriebsleistung, da hier lediglieh die ohnehin vorhandenen Pumpen für den Kühlmittel- und Schmierölkreislauf genutzt werden können.
In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß mit wenigstens einem Teil der Abwärme, insbesondere der Abwärme der Auspuffgase, der Kältemittelkreislauf der Absorptionskältemaschine beaufschlagt wird und daß die bei
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der Kühlung des Kältemittelkreislaufs vom Kühlmedium aufgenommene Wärmeenergie zur Aufheizung des Arbeitsmittels für eine Turbine verwendet wird. Dieses Verfahren empfiehlt sich dann, wenn in der Anlage die Erzeugung von Kälteenergie vorrangig ist.
Hierbei kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung so vorgegangen werden, daß als Kühl- und Arbeitsmedium für die Turbine Luft verwendet wird, die im offenen Kreislauf über die Turbine geführt wird.
Gemäß einer anderen zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch so vorgegangen werden, daß das Kühl- und Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf über die Turbine geführt wird. Dieses Verfahren gestattet es insbesondere ein Medium zu verwenden, im Hinblick auf die zur Verfügung stehende Temperaturdifferenz der Auspuffgase zur Umgebung einerseits und der über die Auspuffgase zur Verfügung gestellten Wärmemenge andererseits für den Turbinenkreislauf ein Medium mit einem optimalen Siedeverhalten auszuwählen.
In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine zunächst als Arbeitsmedium über eine Turbine geleitet
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wird und dann als Heizmedium dem Austreiber der Absorptionskältemaschine zugeführt wird. Diese Verfahrensweise gestattet es, neben der in den Auspuffgasen enthaltenen Wärmeenergie auch die vorhandene kinetische Energie in der Turbine umzusetzen, wie dies aus den herkömmlichen Abgasturbinen an sich bekannt ist und dann anschließend die am Austritt der Abgasturbine in den Auspuffgasen noch enthaltene Wärmeenergie in der Absorptionskältemaschine umzusetzen. Insbesondere bei dieser Verfahrensweise ist es von Bedeutung, wenn auch die über den Kühlmittelkreislauf und den Schmierölkreislauf der Verbrennungskraftmaschine anfallende Wärme der Absorptionskältemaschine zugeführt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist schließlich vorgesehen, daß im Kältemittelkreislauf der Absorptionskältemaschine zwischen dem Verflüssiger und dem Verdampfer über eine -Expansionsturbine eine Umsetzung in mechanische Energie erfolgt. Hierdurch ist es möglich, den für die "Kälteerzeugung" erforderlichen Druckabfall zwischen Verflüssiger und Verdampfer noch in nutzbare Wellenleistung umzusetzen.
Das Verfahren wird anhand verschiedener Anwendungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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/IcL
Pig. 1 ein Schaltschema einer Kombination von Absorptionskältemaschine und Turbine mit offenem Turbinenkreislauf;
Fig. 2 ein Schalteschema für eine Kombination von
Absorptionskältemaschine und Turbine mit ee-Eceschlossenem Turbinenkreislauf;
Fig. 3 ein Schaltschema mit Zusatzturbine im Kältemittelkreislauf;
Fig. 4 ein Schaltschema mit Turbine und Absorptionskältemaschine in Hintereinander-Schaltung.
Bei dem anhand von Fig. 1 beschriebenen Verfahren ist einer Verbrennungskraftmaschine 1. beispielsweise einem Dieselmotor, eine Absorbtionskältemaschine 2 sowie eine Turbine 3 zugeordnet. Die Absorptionskältemaschine 2 und die Turbine 3 decken hierbei ihren Energiebedarf aus den Abgasen des Dieselmotors 1, wobei die Turbine bei dieser Verfahrensweise als Heißluftturbine ausgebildet ist und einen offenen Kreislauf für das Arbeitsmedium aufweist.
Die Arbeitsweise und der Aufbau der verwendeten Absorptionskältemaschine entspricht dem Stande der Technik. Das im Absor-
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ber 4 gesammelte Kältemittel wird über einen Kompressor 5, einen Wärmetauscher 6 in den Austreiber 7 gepumpt. Im Wärmetauscher 6 wird die zum Austreiber 7 strömende reiche Lösung mit der in den Absorber 4 zurückströmenden, heißen armen Lösung aufgeheizt. Dem Austreiber 7 wird über die Abgase des Dieselmotors 1 die erforderliche Wärmeenergie zugeführt, so daß die leicht siedende Komponente des Kältemittels ausdampft. Der Dampf wird dem Verflüssiger 8 zugeführt, dort gekühlt und über einen Wärmetauscher 9 und ein Drosselventil 10 in den Verdämpfer 11 entspannt. Der verdampfte Teil des Kältemittels wird dann in den Absorber 4 wieder zurückgeführt und dort unter Kühlung wieder der höher siedenden Komponente des Kältemittels zugeführt.
Die erforderliche Kühlung des Absorbers 4 und des Verflüssigers j 8 erfolgt bei dieser Verfahrensweise mit Luft, die durch ent- j sprechende Gebläse 12, 13 durch die Kühlvorrichtungen von Ab- j sorber 4 und Verflüssiger 8 hindurchgeführt wird. Die Luft heizt sich hierbei auf und wird dann über die Heißluftturbine 3 geführt, so daß die im Absorber 4 und im Verflüssiger 8 aufgenom- ; mene Wärmeenergie in Wellenleistung umgesetzt werden kann.
über den Verdampfer 4 wird die gewünschte "Kälteenergie" erzeugt, die dann zur Klimatisierung der Pahrzeugkabine verwendet werden kann. Je nach Größe und Auslegung der Anlage kann ein Teil der
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zur Verfügung stehenden "Kälteenergie" über einen der Turbine nachgeschalteten Kühler Ik geführt werden, um so zu einem das der Turbine zur Verfügung stehenden Energiegefälle zu erhöhen und zum anderen die aus der Turbine austretende Luft zu kühlen und somit die Aufheizung der Umgebungsluft durch das Fahrzeug herabzusetzen, was bei einem Untertage-Fahrzeug von großer Bedeutung ist.
Falls die durch den Austreiber 7 geführten Abgase des Dieselmotors noch eine nennenswerte Temperatur-Differenz zu dem Kältemittel im Bereich zwischen der Pumpe 5 und dem Wärmetauscher 6 aufweisen, kann hier ein weiterer Wärmetauscher zur Beheizung des Kältemittels vorgesehen werden. Das gleiche gilt für die aus dem Kühlwasser und/oder Schmierölkreislauf des Dieselmotors anfallende Wärme.
Das Schaltschema gemäß Fig. 2 zeigt eine andere Ausgestaltung des Verfahrens, das sich von dem Verfahren gemäß Fig. 1 lediglich dadurch unterscheidet, daß für die Turbine 3 ein geschlossener Kreislauf für das Arbeitsmedium vorgesehen ist. Ein geschlossener Kreislauf erlaubt es, ein Arbeitsmedium für den Turbinenkreislauf auszuwählen, daß hinsichtlich seines Siede-Verhaltens in Bezug auf die bei der Kühlung des Absorbers
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und des Austreibers 7 der Absorptionskältemaschine 2 zur Verfügung stehende Wärmeenergie abgestimmt ist. Das Schaltschema entsprich tim übrigen dem Schaltschema gemäß Fig. 1. Auch hier ist zur Verbesserung der Turbinenleistung der Turbine austrittsseitig ein Kühler 1*1' nachgeschaltet. Das Arbeitsmedium des Turbinenkreislaufes wird durch eine Von der Turbine angetriebene Pumpe 15 umgepumpt und sowohl über den Absorber 4 als auch über den Verflüssiger 8 der Absorptionskältemaschine 2 geführt, um dort den Kältemittelkreislauf unter Wärmeaufnahme entsprechend zu kühlen.
In Fig. 3 ist eine modifizierte Verfahrensweise dargestellt, bei der im Kältemittelkreislauf der Absorptionskältemaschine zwischen dem Verflüssiger 8 und dem Verdampfer 11 anstelle des Drosselventils 10 eine Expansionsturbine 16 eingeschaltet ist, von der ebenfalls Wellenleistung abgegriffen werden kann, die entsprechend für den Betrieb von Zusatzantrieben genutzt werden kann.
Während bei den vorstehend beschriebenen Verfahren die nutzbare Wärmeenergie der Abgase des Dieselmotors primär für den Betrieb der Absorptionskältsmaschine genutzt wurde, ist in Fig. 4 ein Verfahren dargestellt, bei dem die nutzbare Wärmeenergie der Abgase des Dieselmotors primär für den Betrieb einer Turbine eingesetzt wird. Die Turbine 3 weist hierbei
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zweckmäßigerweise einen geschlossenen Kreislauf für das Arbeitsmedium auf, ähnlich wie dies bei dem Verfahren gemäß Fig. 2 beschrieben ist. Das Arbeitsmedium des Turbinenkreislaufs, der hier nur schematisch dargestellt ist, wird über einen Wärmetauscher 16 aufgeheizt. Die aus dem Wärmetauscher 16 austretenden Abgase werden dann über den Austreiber 7 einer entsprechend kleineren Absorptionskältemaschine geführt und so die noch restliche, nutzbare Wärmeenergie der Abgase aufgenommen. Auch hier wird die nutzbare Wärme des Kühlwasser- und des Schmierölkreislaufs des Dieselmotors entsprechend ihrem Temperaturniveau zur Aufheizung des Kältemittelkreislaufs im Bereich zwischen Absorber und Austreiber ausgenutzt. In Fig. 4 ist ein modifiziertes Schalteschema dargestellt. Bei diesem Verfahren ist ein gesonderter Kühlkreislauf 17 (durchgezogene Linie) vorgesehen, durch den über entsprechende Wärmetauscher 18 und 19 das Kühlwasser und das Schmieröl des Dieselmotors sowie der Absorber *i und der Verflüssiger 8 der Absorptionskältemaschine gekühlt werden, über einen Wärmetauscher 20 wird dieser Kreislauf mit Hilfe der aus dem Dieselmotor austretenden Abgase weiter aufgeheizt, so daß die aufgenommene Wärmeenergie über den Wärmetauscher 16 an den Turbinenkreislauf abgegeben werden kann. Die aus dem Wärmetauscher 20 austretenden Motorenabgase werden dann noch durch den Austreiber 7 der Absorptionskältemaschine geführt. Der Verdampfer 11 der
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Absorptionskältemaschine erzeugt wiederum die gewünschte K-älteenergie zur Klimatisierung und gegebenenfalls zur zusätzlichen Kühlung beispielsweise im Bereich des Turbinenkreislaufs.
Falls die beider Anordnung gemäß Fig. 1 bzw. bei einer als Abgasturbine geschalteten Turbine 3 austretende Heißluft bzw. die Abgase noch eine spürbare Wärme enthalten, kann hier die Kühlung auch in herkömmlicher Weise durch die Eindüsung von Wasser bewirkt werden. Das erfindunprsgemäße Verfahren hat jedoch den Vorteil, daß wegen der erheblich reduzierten Temperaturen die erforderlichen Wassermengen wesentlich geringer sind. Das gleiche gilt auch für eine etwaige Kühlung der Auspuffgase bei der Schaltung der vorstehend ausführlich beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung. Die reduzierte Abgastemperatur erlaubt dann in vorteilhafter Weise neben der Kühlung auch eine Reinigung der Auspuffgase im Sinne einer Gaswäsehe. Eine Naßwäsche der Gase kann bei entsDrechender apparativer Gestaltung auch zu einer entsprechenden Druckabsenkung im Abgasstrom führen, so daß wenigstens zu einem Teil die erhöhten Strömungswiderstände der im Abgasstrom befindlichen Wärmetauscher etc. ausgeglichen wird.
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Claims (7)

  1. 2923049 Maxton - Maxton · Langmaack Patentanwälte
    Patentanwälte Maxton & Langmaack - Pferdmengesstr. SO · 5000 Köln 51
    Robert Brede CI895-1943) . τ , . Ludwig Hämmerten CI909-1944)
    Anmelder in: Aifr.d M«io„ .r.
    Alfred Maxton ]r.
    Brunn GmbH & Co KG JDrflen LanOm«ack
    JustuS-V.-Liebigstr. 24 D.plom-Ing.nl.ur.
    5300 Bonn
    5000 Köln 51
    Unsere Zeichen Datum
    8θδ ρ 793 05.06.79
    1 Bezeichnung:
    Verfahren zur Energierückgewinnung aus der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine
    Ansprüche:
    Verfahren zur Energierückgewinnung aus der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer
    10 Verbrennungskraftmaschine in einer Untertage-Lokomotive, dadurch gekennzeichnet , daß ein Teil der Abwärme zur Erzeugung zusätzlicher Wellenenergie und ein Teil der Abwärme zur Kälteerzeugung mittels einer Absorptionskältemaschine benutzt wird.
    15
    030050/0401
    Telefon: (02 21) 38 0238 · Telegramm: Inventator Köln · Telex: 8883555 max d Postscheckkonto Köln (BLZ 370100 50) Kto.-Nr. 152251-500 · Deutsche Bank AG Köln (BLZ 370 70060) Kto.-Nr. 1236181
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet , daß die Abgase der Verbrennungskraftmaschine einem Wärmetauscher zur Aufheizung des Arbeitsmittels für eine Turbine und danach dem Austreiber einer Absorptionskältemaschine zugeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet , daß die im Kühl-Wasserkreislauf und/oder im Schmierölkreislauf der Verbrennungskraftmaschine anfallende Wärme an einer ihrem Temperaturniveau entsprechenden Stelle über einen Wärmetauscher dem Kältemittelkreislauf der Absorptionskältemaschine zugeführt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3S
    dadurch gekennzeichnet , daß mit wenigstens einem Teil der Abwärme, insbesondere der Abwärme der Auspuffgase, der Kältemittelkreislauf der Absorptionskältemaschine beaufschlagt wird und daß die bei der Kühlung des Kältemittelkreislaufs vom Kühlmedium aufgenommene Wärmeenergie zur Aufheizung des Arbeitsmittels für eine Turbine verwendet wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4,
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    dadurch gekennzeichnet , daß als Kühl- und Arbeitsmedium Luft verwendet wird, die im offenen Kreislauf über die Turbine geführt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet , daß das Kühl-
    und Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf über die Turbine geführt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 63 dadurch gekennzeichnet , daß im Kältemittelkreislauf zwischen dem Verflüssiger und dem Verdampfer über eine Expansionsturbine eine Umsetzung in mechanische Energie erfolgt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO1983002820A1 (en) * 1982-02-03 1983-08-18 Söllner, Robert Heating or cooling device
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