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Verfahren zugbetrieb einer Wärmepumpenanlage
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage
mit einem Kompressor zur Verdichtung eines einen Verbraucher-, insbesondere Heiz-
oder Brauchwasserkreislauf,erwärmenden Wärmepumpenfluids und einer mit dem Kompressor
gekuppelten Expansionsmaschine, die von einem mittels Wärmequelle aufgeheizten Expansionsmaschinenantriebsfluid
angetrieben wird und deren Abdampfstrom sowohl zur zusätzlichen Erwärmung des Verbraucherkreislaufes
als auch zur Erwärmung des Expansionsmaschinenantriebsfluids vor dessen Eintritt
in die Wärmequelle verwendet wird. Die Wärmequelle für den Expansionsmaschinenkreislauf
kann mittels Primärenergie, Sonnenenergie oder Abwärme aufgeheizt werden.
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In Wohnhäusern wird die Wohnheizung dadurch erzeugt, daß z. B. Heizöl,
Erdgas oder Kohle in einem Kessel verbrannt und dadurch ein Fluid, beispielsweise
Gas oder Wasser, erhitzt wird, dessen Wärme durch in einzelnen Wohnräumen befindliche
Wärmetauscher (Radiatoren) ab-
gegeben wird. Im Hinblick auf die Kosten für HeizölfGst diese Art einer Wohnungsheizungsanlage
recht teuer.
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Es hat sich als günstig herausgestellt, für Heizungen oder zur Brauchwas
se re rzeugung Wärmepumpen zu verwenden. Diese Wärmepumpen entziehen einem Wärmeträger,
beispielsweise Luft oder Flußwasser oder Grundwasser, die darin befindliche Wärme
derart, daß mit der luft oder dem Fluid oder Grundwasser ein Wärmepumpenfluid verdampft
und ggfls. überhitzt und anschließend von einem Kompressor komprimiert
wird.
Diese Wärme wird über einen Wärmetauscher an den Brauchwasserkreislauf oder an den
Heizungskreislauf abgegeben.
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Zum Antrieb der Wärmepumpe wird häufig ein Elektromotor verwendet.
Dies ist nachteilig. Zur Verdeutlichung desser ist in der Fig. 1 das p-h-Diagramm
eines Wärmepumpenkreislaufe s dargestellt, wobei p gleich Druck und h gleich Enthalpie
ist. Die Kurve A ist die Siede-und Taulinie, das schraffierte Gebiet unter der Kurve
A das Naßdampfgebiet eines bestimmten Fluids; in das p-h-Diagramm sind mit den Punkten
0, 1, 2 und 3 bestimmte Zustände des Kreislaufes eingetragen.
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Die Strecke 0 bis 1 entspricht der aus der Umgebung durch Erwärmung
eines Wärmepumpenfluids durch das Grund-oder Flußwasser oder durch Luft dem Wärmepumpenfluid
zugeführten Energie q ; die Strecke 1 IDis 2 entspricht der rom Kompressor zugeführten
Energie d h ; die Strecke v von 2 bis 3 entspricht der an den Heizkreislauf abgegebenen
Energie q ab und die Strecke von 3 bis 0 entspricht der Drosselung des Wärmepumpenfluids
vor dem Wärmetauscher, mit dem das Wärmepumpenfluid Wärme aus der Umgebung aufnimmt.
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Als Leistungsziffer für diesen Prozess kann folgende Formel verwendet
werden: # = qab = Heizenergie für den Verbraucher #hv vom Kompressor zugeführte
Energie Ein typischer Wert für £ ist 4.
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Die Leistungsziffer besagt jedoch noch nicht s über die Güte der
Anlage, da die vom Kompressor zugeführte Energie mit Verlusten erzeugt werden muß.
Ein besseres Maß für die Güte der Anlage ist der Gütegrad , der curch folgende Formel
gegeben ist: Meizene rgie Güte grad = zugeführte Primärenergie Für eine konventionelle
Heizung ist danach der Gütegrad gleich 1.
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Wird der Kompressor von einem elektrischen Motor angetrieben, dann
ist der Gütegrad der Wärmepumpenanlage nicht besser als der einer normalen Heizung.
Man legt nämlich zur Berechnung des Gütegrades die der Primärenergie, d. h. dem
Öl oder der Kohle,innenwohnende Energie zugrunde. Diese wird in einem Kraftwerk
in bekannter Weise zu elektrischem Strom umgewandelt, was nur mit Inkaufnahme von
Verlusten fertigt, und auch die Ubertragung des elektrischen Stromes hin zur Wärmepumpe
bzw. zum Elektromotor erfolgt mit einem Übertragungsverlust, welche Verluste sich
so addieren, daß ein Gesamtverlust von ca. 757a nicht zu vermeiden ist. Man kann
umgekehrt die Verluste durch einen Wirkungsgrad definieren: dieser gesatate Wirkungsgrad,
mit dem die Primärenergie, d. h. Öl oder Kohle, ausgenutzt wird, beträgt ca. o,
25. Der dabei erzielte Gütegrad errechnet sich aus Gütegrad = # Kraftwerk x # Übertragung
x # und beträgt dann ca. 1 bei # = 4.
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Etwas günstiger ist es, wenn man den Elektromotor durch einen üblichen
Otto-oder Dieselmotor ersetzt, Dadurch wird der Gütegrad erhöht, da lediglich der
Motorwirkungsgrad eingeht, während der über tragungswirlcungsgrad zu 4 wird. Obendrein
kann die Abwärme des Motors zu Heizzwecken verwendet werden. Hierdurch erhält man
Güte grade von deutlich größer als 1. Da die Lebensdauer der Otto- bzw. Dieselmotoren
relativ klein ist und da man recht häufig (ca. alle 200 Std.) eine Wartung vornehmen
muß und da ferner die Geräuschentwicklung des Dieselmotors oder des Ottomotors relati-
groß ist, kommt eine solche Ausführung bei Wohnhäusern praktisch kaum in Betracht.
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Günstiger ist es, wenn der Antrieb des Kompressors mit einer Expansionsmaschine,
z. B, einer Turbine,erfolgt. Man kann dabei quasi eine Art Turboladerkonstruktion
verwenden, bei der die Turbinenwelle
mit der Kompressorwelle gekuppelt
ist oder die als Einwellenanlage ausgebildet ist. Das Turbinenantriebsfluid wird
in einer von einem Energieträger wie Öl etc. erhitzten Wärmequelle erwärmt oder
überhitzt und in dampfförmigen Zustand versetzt. Dieses dampfförmige Fluid wird
der Turbine zugeführt. Der Abdampfstrom, d. h. der Turbinenausgangsstrom, kann im
einfachsten Falle in einem Kondensator kondensiert werden, wobei dessen Abwärnle
dem Brauchwasserkreislauf zugeführt wird. Im Kondensator wird der Abdampfstrom verflüssigt
und über eine Speisepumpe der Wärmequelle wieder zugeführt.
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Beim Einsatz von Kältemitteln als Turbinenantriebsfluid erfolgt die
Entspannung des Fluids oft in das Gebiet des überhitzten Dampfes, so daß oft ein
bestimmter Teil der Abdampfwärme. d. h. der Wärme des Tur -binenabdampfes,bei höheren
als zu Heizzwecken erforderlichen Temperaturen anfällt.
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Dieser Teil kann dann dem Turbinenkreislauffluid vor dem Eintritt
in die Wärmequelle oder in den Heizkessel zugeführt werden, wodurch die in der Wärmequelle
benötigte, zuzuführende Energie zur Erzeugung einer bestimmten Turbineneintrittstempe
ratur verringert werden kann. Eine solche Anlage ist in der Literaturstelle D. T.
G. Strong 'tDirectly fired domestic heat pumpt in "Antriebe für Wärmepumpen", Wärmepumpentechnologie
Band II, Vulkan-Verlag, Essen, 1979, Seite 95 ff,insbesondere Seite 96, beschrieben.
Der mit dieser Anlage erzielte Gütegrad beträgt z.B. 1,449, wenn die Wärmeabgabe
an den Heizungskreislauf bei 53°C erfolgt, die Turbineneintrittstemperatur 129°
C ist und die Verdampfungstemperatur im Wärmepumpenkreislauf bei 2,8° C liegt, wenn
die Wirkungsgrade von Turbine und Kompressor jeweils o, 8 betragen und als Kältemittel
z. B. Dichlor-tetrafluoräthan (R 114) verwendet wird. Die minimale Temperaturdifferenz
in den Wärmetauschern ist dabei 5 C.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmepurnpenanlage der eingangs
genannten Art soweit zu verbessern, daß der Gütegrad gegenüber bekannten
Magen
bei vergleichbaren Daten der Anlage und gleichem Arbeitsmedium noch weiter erhöht
wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach einer ersten Lösung dadurch
gelöst, daß das Wärmepumpenfluid das Expansionsmaschinenantriebsfluid vor dessen
Eintritt in die Wärmequelle zusätzlich erwärmt. Dies ist deshalb möglich, da wegen
der für eine gute Wärmepumpenleistungsziffer erforderlichen Überhitzung des Wärmepumpenfluids
die Temperatur am Kompressorausgang höher ist als die, die zu Heiz zwecken erforderlich
ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, die im Prinzip von
der Lösung 1 Gebrauch macht, wird die Aufgabe nach einer zweiten Ausgestaltung dadurch
gelöst, daß das Wärmepumpenfluid nach Austritt aus dem Kompressor mit dem Expansionsmaschinenantriebsfluid
nach dessen Austritt aus der Expansionsmaschine gemischt wird, daß der Mischstrom
das Expansionsmaschinenantriebsfluid vor dessen Eintritt in die Wärmequelle erwärmt
und nach Durchströmen des Wärmetauschers zur Erwärmung des Ve rbraucherkreislaufes
sich in das Expansionsmaschinenantriebsfluid und das Wärmepumpenfluid aufteilt.
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Während bei der Lösung 1 für beide Kreisläufe, d. h. für den Kompressor-
oder Wärmepumpenkreislauf und für den Expansionsmaschinen kreislauf,unterschiedliche
Fluide Verwendung finden können, benutzt man bei der Lösung 2 zweckmäßigerweise
gleiche Fluide, die günstig miteinander gemischt werden können.
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Anhand der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele von Wärmepumpenanlagen
dargestellt sind, mit denen die erfindungsgemäßenVerfahren durchgeführt werden können,
sollen die besonderen Vorteile der Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
näher erläutert werden.
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Es zeigt: Fig. 2 ein p-h-Diagramm, nach dem das erfindungsgemäße Verfahren
durchgeführt wird.
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Fig. 3 ein Blockschema. in dem eine Anlage gezeigt ist, mit der das
erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, Fig. 4 ein weiteres p-h-Diagramm,
in dem der Prozess einer weiteren, erfindungsgemäßen Anlage veranschaulicht ist,
und Fig. 5 ein Blockdiagramm, in den der Aufbau der Anlage dargestellt ist, deren
p-h-Diagramm in der Fig. 4 gezeigt ist.
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In der Fig. 3 erkennt man den Wärnlepumpenkreislauf I und den Expansionsmaschinenkreislauf
H. Die Expansionsmaschine wird im folgenden auch als Turbine bezeichnet. Im Wärmepumpenkreislauf
ist ein erster Wärmetauscher 100 dargestellt, in dem ein Wärmemittel oder ein Wärmepumpenfluid
in der Umgebung befindliche Energie aufnehmen kann. Wie dies im einzelnen erfolgt,
ist an sich bekannt. Das aus dem ersten Wärmetauscher kommende erwärmte rluid wird
über einen zweiten Wärmetausciier 102 einen Kompressor 104 zugeführt. Die Erwärmung
des Fluids durch die beiden Wärmetauscher 100 und 102 entspricht der Strecke 10
bis 11 in dem p-h-Diagramm der Fig. 2. Das Fluid wird im Kompressor 104 auf höheren
Druck gebracht, was im p-h-Diagramm, Fig. 2 , der Strecke von 11 nach 12 entspricht.
Erfindungsgemäß ist nun der Ausgang des Kompressors über einen dritten Wärmetaus
che r 106 thermodynamisch mit dem Turbinenkreislauf gekuppelt. Diese im dritten
Wärmetauscher 106 an den Turbinenkreislauf abgegebene Wärmeenergie entspricht der
Strecke 12 bis 14 in dem p-h-Diagramm der Fig. 2. Nach dem dritten Wärmetauscher
strömt das Wärmepumpenfluid hin zu vierten Wärmetauscher
108, in
dem die Wärmeenergie, die dann noch dem Wärmepumpenfluid innewohnt, an einen Verbraucherkreislauf
110 mit einem Verbraucher 112 abgegeben wird. Die hinter dem vierten Wärmetauscher
108 noch im Wärmepumpenfluid vorhandene Energie wird über den zweiten Wärmetauscher
102 an das Wärmepumpenfluid vor dem Kompressor 104 zur pumpen-Erwärmung des Wärmepumpenfluids
abgegeben. Die gesamte, dem Wärmefluid zugeführte Energie, die der Strecke 10-11
entspricht, setzt sich daher zusammen aus der Strecke 10 bis 10a (entspricht der
im Wärmetauscher 100 aufgenommenen Wärme) und 10a bis 11 (entspricht der im Wärmetauscher
102 aufgenommenen Wärme). Die im Wärmetauscher 108 an den Verbraucherkreislauf 110
abgegebene Wärmemenge entspricht der Strecke 14 - 15 und die im Wärmetauscher 102
abgegebene Wärmemenge, d.h. die dem Wärmekreislauf wieder zugeführte Wärmemenge
von iJa Lis 1i. entspricht der Strecke 15 bis 15a. Damit wird die Wärmemenge 17a
bis 16 nicht unzweckmäßigerweise in die Athmosphäre abgegeben, sondern dem Wärmekreislauf
wieder zugeführt, wodurch das Wärmepumpenfluid noch weiter herabegkühlt werden kann.
Mittels einer Drossel 114 wird das Wärmepumpenfluid wieder auf den Zustand verbracht,
der erforderlich ist, Wärmemengen aus der Umgebung aber den ersten Wärmetauscher
aufzunehmen. Die Drosselung entspricht der Strecke 15a bis 10 (Druckabsenkung).
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Der Kompressor 104 wird von einer Turbine 116 angetrieben, wobei
die Turbinenwelle und die Kompressorwelle miteinander gekoppelt sind, was durch
die beiden horizontalen Linien bei 118 dargestellt ist. Das Turbinenantriebsfluid
wird in einem fünften Wärmetauscher 120, der als Wärmequelle dient, erhitzt. Diese
Erhitzung entspricht der Strecke von 17 bis 18 im p-h-Diagramm nach der Fig. 2.
In der Turbine 116 wird der Dampf entspannt und gleichzeitig wird dem Dampf Energie
entzogen, die zum Antrieb des Kompressors 104 erforderlich ist. Es entspricht dies
der Strecke 18 bis 19 im p-h-Diagramm. Der Abdampfstrom gelangt zu einem
sechsten
Wärmetauscher 122, wo ihrn Wärme entzogen wird, und danach gelangt der Abdampf in
einen siebten Wärmetauscher 124, in dem der Abdampf seine Verdampfungswärme @@@@a
Verbraucherkreislauf 110 und damit an den Verbraucher 112 angibt. Da Turbinenantriebsfluid
hinter dem siebten Wärmetauscher 124 wird mittels Pumpe 126, die eine Art Kesselspeisepumpe
darstellen konnte, über die beiden Wärmetauscher 122 und 106 dem Wärmetauscher 120
zugeführt und der Kreislauf beginnt von neuem.
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Man erkennt, daß der Turbinenabdampfztrom des Turbinenzugangsstrom
wischen der Pumpe 126 und dem Wärmetauscher 120 erwärmt und daß erfindungsgemäß
der Kompressor-Abdampfstrom den Turbineneingangs- bzw. Zugangsstrom über den wärmetauscher
106 wärmt.
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Die im Wärmetauscher 106 an den Turbinenkreislauf abgegebene Wärme
entspricht der Strecke 12 bis 14 (im p-h-Diagramm nach der Fig. 2, multipliziert
mit dem Verhältnis des Massenstromes ink im Kompressorkreislauf zu Massenstrom mT
im Turbinenkreislauf, und die im Wärmetauscher 122 abgegebene Wärmemenge entspricht
der Strecke 13 bis 14.
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Die Strecke 12 bis 14 entspricht der Strecke 16b nach 17 multipliziert
mit dem Verhältnis Massenstrom mT der Turbine zu Massenstrom mK im Kompressor, und
die Strecke 13 und 14 entspricht der Strecke 16 nach 16b. Man erkennt, daß die Wärme
vom Kompressor mK (h12 - h14) an den Turbinenkreislauf übertragen wird, was der
Strecke 17 - 16b oder der Wärmemenge mT (h17 - 16b) entspricht.
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Ferner ist h13 - h14 = h16b - h17 Man kann errechnen, daß als Gütegrad
ein Wert von 1,5 @@isch wird, wenn die gleichen Randbedingungen wie oben bei der
gekannten. Anlage (nach D.T.G. Strons, bei der ein Gute@@ad von 1,449 erhalten wurde,
eingehalten werden.
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In der Fig. 5 ist ein Blockdiagramm einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung dargestellt, mit der das Verfahren gemäß der zweiten Lösung durchgeführt
wird. Zur Verdeutlichung und zur Darstellung von Gemeinsamkeiten sind gleiche Teile
der Fig. 5 mit den entsprechenden Bezugsziffern der Fig. 3b gezeichnet.
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Wie in der Anlage nach Fig. 3 wird das Wärmepumpenfluid über den
Wärmetauscher 100 von der Umgebung aufgeheizt und über den Wärmetauscher 102 weiter
erwärmt. Das Wärmepumpenfluid durchströmt den Kompressor 104 und wird dort komprimiert,
d. h. seine Temperatur wird weiter erhöht bzw. es wird ihm Energie zugeführt. Das
Wärmepumpenfluid gelangt vom Kompressor 104 einen Mischbehälter 128.
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In ähnlicher Weise wie in der Fig. 3 wird das Turbinenantriebsfluid
in der Wärmequelle 120 erhitzt und in der Turbine 116 entspannt, wobei die Turbine
116 über die Welle 118 den Kompressor 104 antreibt.
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Der Turbinenabdampf gelangt ebenfalls in den Mischbehälier, wo er
sich mit dem Kompressorabdampf bzw. mit dem Fluid, welches aus dem Kompressor austritt,
vermischt. In der Fig. 4r dem p-h-Diagramlll der Anlage nach der Fig. 5, entspricht:
der im Wärmetauscher 100 zugeführten Wärmemenge die Strecke von 20 nach 21; der
im Wärmetauscher 102 zugeführten Wärmeilenge die Strecke von 21 nach 22; der im
Kompressor zugeführten Energie die Strecke von 22 nach 23; der in der Wärmequelle
oder im fünften Wärmetauscher zugeführten Wärmemenge die Strecke 29 bis 30 der in
der Turbine abgeführten Energie die Strecke 30 bis 24.
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Da dieTurbinenaustrittstemperatur und die Kompressoraustrittstemperatur
unterschiedlich sind, bildet sich eine Mischentemperatur aus, die der Mischenthalpie
beim Punkt 24a entspricht. D -: fluid am Austritt des Mischbehälters 128 und das
Fluid am Punkt 130 besitzen eine Enthalpie bzw. eine Wärmeenergie von h24a. Diese
Wärmemenge h24a wird über einen achten Wärmetauscher 132 dem Turbinenantriebsfluid
zugeführt und das hierbei abgekühlte Fluid gibt anschließend die Wärme für Heizzwecke
im Wärmetauscher 134 an den Verbraucherkreislauf 110 mit dem Verbraucher 112 ab.
Das am Ausgang des Wärmetauschers 134 anstehende bzw. aus dem Wärmetauscher 134
ausströmende Fluid teilt sich bei 136 auf in das Wärmepumpenfluid, dargestellt durch
den Pfeil P2, und ir das Turbinenantriebsfluid, dargestellt durch den Pfeil P 3,
wobei das Wärmepumpenfluid über den Wärmetauscher 11)2 und die Drossel 114 zum ersten
Wärmetauscher 100 und von dort wieder über den Wärme tauscher 10Z zum Kompressor
104 gelangt. Das Turbinenantriebsfluid gelangt über die Pumpe 126 und den Wärmetauscher
132 zum Wärme -tauscher I20 , wobei es in den beiden Wärmetauschern 132 und 120
auf die erforderliche Turbineneintrittstemperatur aufgeheizt wird. Die im Wärme
-tauscher 132 von dem Mischfluid an das Turbinenantriebsfluid abgegebene Wärmemenge
entspricht der Strecke 24a - 25, und das Turbinenantriebsfluid nimmt im Wärmetauscher
132 die Wärmemenge auf, die durch die Strecke 28 - 29 dargestellt wird. Wegen der
unterschiedlichen Massenströme auf beiden Seiten des Wärmetauschers gilt mT (h29
- h28) = (mT + mK) (h24a - h25) Bei dieser Ausführung ist der Gütegrad bzw. ist
die Güte ziffer 1, 497, d. h. sie ist um 2%geringer als bei der Anlage nach der
Fig. 3, was praktisch vernachlässigbar ist.
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Bezugszeichenliste 100 erster Wärmetauscher 102 zweiter Wärmetauscher
104 Kompressor 106 dritter Wärmetauscher 108 vierter Wärmetauscher 110 Verbraucherkreislauf
112 Verbraucher 114 Drossel 116 Turbine 118 Welle 120 fünfter Wärmetauscher 122
sechster Wärmetauscher 124 siebter Wärmetauscher 126 Pumpe 128 Mischbehälter 130
Austritt aus den Mischbehälter 132 achter Wärmetauscher
L e e r
s e i t e