DE3046195A1

DE3046195A1 - Verfahren und anlage zur abkuehlung eines mediums auf eine niedrige temperatur

Info

Publication number: DE3046195A1
Application number: DE19803046195
Authority: DE
Inventors: Henri 95000 Cergy Pontoise Paradowski
Original assignee: Francaise dEtudes et de Construction Technip SA; Technip SA
Current assignee: Francaise dEtudes et de Construction Technip SA; Technip Energies France SAS
Priority date: 1979-12-12
Filing date: 1980-12-08
Publication date: 1981-09-03
Also published as: IT8046912A0; GB2065284B; AU535685B2; AR223743A1; FR2471567B1; IT1141749B; OA06666A; NO803742L; AU6531780A; EG14745A; MY8700162A; CA1142846A; BE886594A; US4334902A; JPS56105260A; ES8200470A1; JPH0147717B2; GB2065284A; IN155020B; ES497707A0

Description

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COMPAGNIE FRANCAISE D¹ETUDES ET DE CONSTRUCTION "TECHNIP" 170, Place Henri Regnault
92090 PARIS LA DEFENSE, France

"Verfahren und Anlage zur Abkühlung eines Mediums auf eine niedrige Temperatur".

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ein Verfahren und eine Anlage zur Abkühlung eines Mediums auf eine niedrige Temperatur ; insbesondere ist der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren, bei. welchem in einer Methode zur Abkühlung von mindestens einem Medium auf eine niedrige Temperatur, die unterhalb eines zur Zeit bevorzugten Wertes von -30⁰C liegt, und insbesondere zur Abkühlung eines zu verflüssigenden gasförmigen Mediums, insbesondere eines natürlichen oder synthetischen Gases, zum Beispeil eines an Methan reichen Gases Energie und gegebenenfalls Kosten bezüglich des Aufbaus der Anlage gespart werden, wobei die vorliegende Erfindung ebenfalls eine Vorrichtung bzw» Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens betrifft. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf die verschiedenen Anwendungen und Verwendungen, die sich aus dem Einsatz des Verfahrens und/oder der Vorrichtung bzw. Anlage ergeben, sowie auf die Vorrichtungen, Einheiten, Anordnungen, Ausrüstungen und Anlagen, die mit derartigen Vorrrichtungen bzw. Geräten versehen sind.

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Man kennt schon Verfahren und Anlagen zur Abkühlung von Medien und insbesondere zur Verflüssigung von Gasen bei niedriger Temperatur, bei welchen insbesondere durch die Förderung des Mediums -durch geeignete Wärmeaustauscher hindurch eine Kondensierung bei hohem Druck und niedrigem Temperatur der natürlichen oder synthetischen Gasen und anschliessend die Unterkühlung bei hohem Druck der verflüssigten Gase sowie dann die Entspannung in einem Ventil durchgeführt werden können, wobei die verflüssigten Gase dann in einen Niederdruck-Behälter aufgefangen werden. Es ist ebenfalls bekannt, zur Durchführung der Abkühlung, Verfahren zum Einsatz zu bringen, bei welchen das Kühlmedium bzw. die Kühlmedien bei niedriger Temperatur und hohem Druck kondensiert wird bzw, werden, oder bei welchen die flüssigen Kühlmedien bei sehr niedriger Temperatur und hohem Druck erst untergekühlt, dann in Ventilen entspannt und schliesslich bei niedrigem Druck verdampft werden.

Die vorliegende Erfindung hat sich hauptsächlich zum Ziel gesetzt, die bekannte Technik auf diesem Gebiet insbesondere in der Weise zu verbessern, dass der Leistungsbedarf der Kühlmedienverdichter für dieselbe Menge behandelter Produkte verringert wird, so dass die durch die Behandlung entstehenden Kosten ebenfalls herabgesetzt werden.

Zu diesem Zweck schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, mit welchem Energie und gegebenenfalls Anlagekosten gespart werden, und zwar durch eine Methode zur Abkühlung von mindestens einem Medium auf eine niedrige Temperatur, die unterhalb eines zur Zeit bevorzugten Wertes von -3O⁰C liegt, insbesondere aber nicht ausschliesslich durch eine Methode zur Verflüssigung von Gasen durch Wärmeaustausch mit einem einzelnen Kühlmedium oder mit einem Medium, welches ein Bestandteil eines Systems von mehreren Kühlmedien darstellt, die jeweils gemäss getrennten Zyklen gefördert werden und dabei in einer zum Beispiel integrierten Kühlungskaskade kombiniert sind bzw. auf einander folgenden Temperaturgefällen entsprechen. Das bzw. jedes Kühlmedium besteht dann aus einem Gemisch von mehreren unterschiedlichen Substanzen und wird gemäss einem Kühlungszyklus in geschlossenem Kreis gefördert, wobei es dabei aufeinander folgend folgenden Verfahrensschritten ausgesetzt wird : mindestens einer Verdichtung in gasförmigem Zustand, mindestens einer Vorkühlung mit zumindest Teilkondensierung oder -Ver-

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flüssigung des genannten Gemisches bei hohem" Druck,*"mindestens einer Selbstkühlung mit gleichzeitiger Unterkühlung von mindestens einer flüssigen Fraktion durch Wärmeaustausch im Gegenstrom mit dem Niederdruck-Dampf, der wenigstens von derselben untergekühlten flüssigen Fraktion desselben Kühlmittels herrührt, mindestens einer Entspannung von wenigstens der genannten selben Fraktion bei niedrigem Druck mit mindestens einem Umsetzungsvorgang zur Erzeugung des genannten Dampfes, der anschliessend wiederkomprimiert wird. Im Laufe dieser schon bekannten Verfahrenschritte wird bzw. werden das Gemisch oder Fraktionen desselbens in einem oder mehreren Wärmeaustauschern im Gegenstrom mit einem oder mehreren Bestandteilen des Gemisches abgekühlt, wobei letztgenannte Bestandteile auf einen Druck bzw. Drücke entspannt werden, die geringer als der vorgenannte Hochdruck sind ; dann wird bzw. werden das Gemisch oder die Fraktionen desselbens in einem oder mehreren Entspannungsorganen entspannt, um in den bzw. in die Kühlungsaustauscher eingespeist zu werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, für dieselbe Menge behandelter Produkte die durch die Verdichtungsstufe aufgenommenen Leistung dadurch zu verringern, dass mindestens ein bzw. jeder Entspannungsvorgang dynamisch durchgeführt wird, damit eine äussere mechanische Arbeit erzeugt wird, die zum Beispiel in der Lage ist, eine kontinuierliche Drehbewegung zu entwickeln.

Wenn das zu kühlende Medium ein zu verflüssigendes Gas ist, der insbesondere in geschlossener Schleife gefördert und dabei mindestens zum Teil bei hohem Druck verflüssigt wird, und wenn wenigstens eine gegebenenfalls oder vorzugsweise vorher untergekühlte, entspannte und aufgefangene flüssige Phase zum Beispiel im statischen Zustand bei niedrigem Druck gespeichert ist, ist es gemäss einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, dass die genannte Entspannung ebenfalls dynamisch durchgeführt wird, damit eine ähnliche äussere mechanische Arbeit erzeugt wird.

Gemäss noch einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die äussere mechanische Arbeit zurückgewonnen, und zwar entweder um verbrauchbare umgewandelte Energie zu entwickeln oder eine verwendbare technische Wirkung zu erzeugen.

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Gemäss noch einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung wird mindestens ein oder jeder Entspannungsvorgang solange fortgesetzt, bis ein Druck erzielt wird, der um mindestens 15 Bar geringer als der genannte Hochdruck ist.

Gemäss noch einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist jeder dynamischen, Betriebsleistung erzeugenden Entspannungsstufe eine zusätzliche passive Entspannungsstufe nachgeschaltet, die keine äussere Arbeit erzeugt, um das betreffende Medium in flüssigen einzelphasigen Zustand aufrechtzuerhalten und dabei dessen Verdampfung bei einem zu niedrigen Druck während des dynamischen Entspannungsvorganges zu verhindern.,

Gemäss einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die Art oder die Zusammensetzung mindestens eines oder jedes Kühlmittels der Anzahl der dynamischen Entspannungsvorgänge angepasst. Die vorliegende Erfindung hat sich auch zum Ziel gesetzt, eine Vorrrichtung bzw. ein Gerät zum Einsatz des genannten Verfahrens zu schaffen, welche . bzw. welches folgendes umfasst : einerseits einen insbesondere offenen Kreislauf für das zu kühlende Medium, insbesondere das zu verflüssigende Gas, der sich mindestens aus folgenden Elementen zusammensetzt : mindestens einer Fliessstrecke für das abzukühlende Medium zur Förderung desselbens in mindestens einen Wärmeaustauscher, der vom Kühlmedium durchströmt ist ; mindestens einem Organ zur Entspannung der flüssigen Phase oder des verflüssigten Gases ;

sowie andererseits einen geschlossenen Kreis für das Kühlmedium, welcher als einziger vorhanden ist oder ein Bestandteil eines Systems von mehreren voneinander getrennten Kreisläufen für jeweils unterschiedliche Kühlmedien darstellt, welche in einer Kühlungskaskade oder dergleichen kombiniert sind, wobei dieser oder jeder Kreislauf veiigstens aus folgenden Elementen besteht :

mindestens einem Verdichter für das gasförmige Kühlmedium, mindestens einem Kühler und/oder Kondensor und mindestens dem Wärmeaustauscher, der wenigstens einen Abfluss für das mindestens zum Teil verflüssigte Kühlmedium sowie mindestens eine Fliesstrecke für das verdampfte Kühlmedium umfasst, wobei letztere sich entgegengesetzt zu jedem vorgenannten Abfluss erstreckt und dabei durch ihr strom-

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aufwärts gerichtetes Ende unter Zwischenschaltung von mindestens einem Organ zur Entspannung von wenigstens einer Fraktion der flüssigen Phase des Kühlmediums mit dem stromabwärts gerichteten Ende der genannten Fliesstrecke verbunden ist, indem ihr stromabwärts gerichtetes Ende an die Ansaugseite des Verdichters angeschlossen wird.

Gemäss der vorliegenden Erfindung ist diese Vorrichtung bzw. dieses Gerät dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein bzw. jedes vorgenannte Entspannungsorgan aus mindestens einer kälteerzeugenden Anzapfturbomaschine mit mindestens einer Wasserturbine oder einer Turbine mit praktisch nicht zusammendrückbarem Medium besteht.

Gemäss einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der Ablauf des Mediums aus mindestens einer oder jeder vorgenannten Turbomaschine mit einem zusätzlichen Druckreduzierventil verbunden.

Gemäss noch einem Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Welle mindestens einer oder jeder vorgenannten Turbomaschine mit mindestens einer stromerzeugenden Maschine oder Arbeitsmaschine gekuppelt .

Die eben erläuterte Erfindung stellt einen bedeutenden technischen Fortschritt dar, da sie folgende hauptsächliche Vorteile erzielen lässt :

- spürbare Herabsetzung des Leistungsbedarfs für die Verdichtung (d.h. der durch die Kühlmedienverdichter aufgenommene Leistung) für eine gleich grosse Menge verflüssigten Mediums : bei der Verflüssigung eines natürlichen Erdgases, wie zum Beispiel eines an Methan reichen Gases kann dieser Leistungsgewinn zum Beispiel etwa 10 % erreichen ;

- Möglichkeit einer Energierückgewinnung durch die Verwendung der mechanischen Energie, die durch die kälteerzeugenden Entspannungswasserturbinen erzeugt wird, zum Betrieb der stromerzeugenden Maschinen oder anderer laufenden Hilfsmaschinen ; die zurückgewonnene Energie kann zum Beispiel etwa 5 % des Energieverbrauchs der Verdichter betragen.

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Demzufolge bringt die vorliegende Erfindung eine gesamte Energieersparnis, die zum Beispiel etwa 15 % der gesamten durch die Kühlmedienverdichter verbrauchte Energie erreichen kann.

Die vorliegende Erfindung kann auf ein beliebiges Mediumabkühlung ssystem angewandt werden und ihre Verwendbarkeit hängt hauptsächlich von der Energiewirtschaft des Landes, in welchem sie verwertert wird. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung hängt hauptsächlich von dem örtlichen Preis der Energie, zum Beispiel insbesondere von den Energieversorgungskosten. In Abhängigkeit von dem relativen Wert dieses Preises bzw. dieser Kosten, d.h. wenn die Energieversorgung verhältnismässig teuer ist, kann es günstig und vorteilhaft sein, kälteerzeugende Entspannungswasserturbinen auch bei weniger niedrigen Temperaturen einzusetzen.

Man möchte hier bemerken, dass im Vergleich zu einem Druckminderer eine Entspannungsturbine umso günstiger in ihrem Einsatz ist, je niedriger die Temperatur des zu kühlenden Medium vor dessen Entspannung ist. Die Zunahme der Verdichtungsleistung des Kühlmediums, die durch die Verwendung von Entspannungswasserturbinen erzielt wird, ist umso besser als der Wirkungsgrad des Kühlungszyklus schlecht ist. Der Kühlungszyklus muss mit verhältnismässig hohen Druckunterschieden arbeiten.

Als Austauscher und/oder Verdichter können beliebig Spiralaustaucher, Platten- oder Flügelrohraustauscher oder dergleichen eingesetzt werden.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in welcher an Hand der beigefügten Zeichnungen verschiedene Ausführungsarten der Erfindung erläutert werden.

In den Zeichnungen zeigen

- Figur 1 : eine erste Ausführungsform eines System zur Verflüssigung der Gase insbesondere natürlichen Erdgase mit Hilfe eines nur einmal entspannten Kühlmediums ;

- Figur 2 : eine Ausführungsvariante des Systems der Figur 1,

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mit Trennung der verschiedenen Phasen und zweifacher Entspannung des Kühlmediums ;

- Figur 3 : eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher zwei Kühlungszyklen mit jeweils dem hauptsächlichen Medium und dem Hilfsmedium vorgesehen sind, die aber einen gemeinsamen Wärmeaustauscher in einer Kühlungskaskade kombiniert sind, wobei das Hilfskühlmedium nur einmal entspannt und das zu verflüssigende Gas vorgekühlt wird ;

- Figur 4 : eine weitere Ausführungsform mit zwei Kühlungszyklen mit jeweils einem hauptsächlichen Medium und einem Hilfsmedium mit mehrstufiger Verdichtung und doppelter Entspannung des Hilfskühlmediums, wobei zur Kombination beider Zyklen miteinander sowie zur Durchführung einer dreifachen Entspannung des Hauptkühlmediums zwei Wärmeaustauscher reihenmässig geschaltet sind ;

- Figur 5 : eine andere Ausführungsform der Erfindung mit vorheriger doppelter Teilverflüssigung des einzigen Kühlmediums in einer Hilfswärmeaustauschssäule.

In den verschiedenen Figuren, sind dieselben Bezugszeichen zur Bezeichnung gleichartiger oder ähnlicher Elemente oder Bestandteile eingesetzt, wobei die beispielsweise angegebenen Druckwerte absoluten Drücken entsprechen.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist der offene Kreislauf des gekühlten Mediums, insbesondere des zu verflüssigenden Gases zum Beispiel natürlichen Gases GN im allgemeinen mit 1 angegeben, während dar geschlossene Kreislauf des hauptsächlichen Kühlmediums im allgemeinen durch die Bezugsziffer 2 bezeichnet ist, wobei beide über mindestens einen gemeinsamen, kälteerzeugenden Wärmeaustauscher 3 zur Verflüssigung des gasförmigen Mediums thermisch miteinander kombiniert sind.

Dar'offene KnedsüazC 1 umfasst eine Leitung 4 zum Einlauf in den Wärmeaustauscher 3, die mit mindestens einem inneren Abfluss dieses Austauschers verbunden ist, wobei dieser Abfluss zum Beispiel aus einem Bündel von Winkelrohren 5 besteht, dessen Auslass über eine Leitung 6 mit dem Einlauf einer kälteerzeugenden Entspannungswasserturbine 7 verbunden ist, wobei der Auslass der Turbine über eine Leitung 8 mit einem Gefäss bzw. einem Behälter 9 zur Speicherung des Gases, zum Beispiel des verflüssigten natürlichen Erdgases GLN

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in Verbindung steht. Ein Druckreduzierventil bzw. Druckminderer 10 kann vorzugsweise aber wahlweise zwischen der Turbine 7 und dem Behälter 9 in der Leitung 8 zwischengeschaltet sein. Die Hauptwelle der Turbine 7 kann vorzugsweise aber nicht zwangsweise mit einer anzutreibenden laufenden Maschine 11, die zum Beispiel eine Stromerzeugungsmaschine bildet, gekuppelt werden, so dass mit der Turbine 7 eine Umformeranlage gebildet ist.

Dar geschlossene Kreislauf 2, der in der Zeichnung durch einen Rechteck begrenzt und durch eine Strichpunktlinie angedeutet ist, enthält ein Kühlmedium, welches aus einem Gemisch von mehreren Bestandteilen besteht, die zumindest zum grössten .Teil vorzugsweise durch Kohlenwasserstoffe gebildet sind.

Der geschlossene Kreislauf 2 umfasst aufeinander folgend in der Strömungsrichtung des Kühlmediums gesehen : mindestens einen Verdichter 12 für das gasförmige Kühlmedium mit zum Beispiel zwei Stufen, jeweils einer Niederdruckstufe 12a und einer Hochdruckstufe 12b, die entweder durch einen eigenen Motor getrennt voneinander oder gemeinsam über einen gemeinsamen Motor angetrieben werden, wobei im zweiten Fall ihre jeweiligen Wellen mechanisch miteinander verbunden sind. Dieser Verdichter dient zur Komprimierung des gasförmigen Kühlmediums und die Auslass- bzw. Verdrängungsöffnung der Niederdruckstufe 12a für das komprimierte Medium ist über einen Zwischenkühler 13> dessen Kühlmedium vorzugsweise von aussen herrührt und zum Beispiel aus Wasser oder Luft besteht, mit der Ansaugöffnung der Hochdruckstufe 12b verbunden. Die Auslassöffnung der Hochdruckverdichtungsstufe 12b ist über mindestens einen Endekühler 15 und mindestens einen Kondensor 16 mit einem entsprechenden Einlauf des Wärmeaustauschers 3 verbunden. Der Endekühler 15 ist vorzugsweise ähnlich wie der Zwischenkühler 13 aufgebaut, d.h. dass es sich um einen Kühler, dessen Kühlmedium von ausser herrührt und zum Beispiel durch Wasser oder Luft gebildet ist, handelt, während der Kondensor 16 ebenfalls ein Kühlmedium äusseren Ursprungs besitzt, welches jedoch zum Beispiel aus Propan oder Propylen besteht. Insbesondere ist am Einlass in den Sammelaustauscher 3 die Leitung 14 mit dem stromaufwärts gerichteten Ende mindestens einer inneren Abflussleitung 17 verbunden, die sich im allgemeinen in derselben Richtung wie die Abflussleitung 5 erstreckt und mit ihrem stromaufwärts gerichteten Ende über eine aus dem Austauscher 3 aus-

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tretenden Leitung 18 -mit dem Einlass einer kälteerzeugenden Wasserturbine oder dergleichen 19, die zum Beispiel ausserhalb des Austauschers 3 angeordnet ist, verbunden ist« Der Ausgang der Turbine ist über eine Leitung 20 mit einem Verteilungssystem verbunden, welches im Inneren des Wärmeaustauschers 3 angeordnet ist. Dieses Verteilungssystem besteht entweder aus einer Fliesstrecke, die sich mindestens annähernd gleichlaufend zu den AbfLussQaitungen 5 und 17 zwischen den jeweiligen stromaufwärts und stromabwärts gerichteten Enden derselben erstreckt, oder aus einer Strahlvorrichtung 21, die mit dem Innenraum des Mantels des Wärmeaustauschers 3 in Verbindung steht und in letzteren unmittelbar mündet, damit das gesprühte Medium in die vorgenannte Richtung um den Flussleitungen 5 und 17 herum strömt und sich dabei weiter verdampft, wobei dieses Medium die genannte Abflussleitungen durch unmittelbare Berührung umspült.

In der Leitung 20 zwischen dem Ausgang der Turbine 19 und dem entsprechenden Eingang des Wärmeaustauschers 3 ist mindestens ein zusätzliches Druckreduzierventil 22 bzw. ein Druckminderer zwischengeschaltet. Die Hauptwelle der Turbine 19 kann gegebenenfalls mit der Antriebswelle einer laufenden Maschine 23 mechanisch gekuppelt werden, wobei letzere ähnlich wie die laufende Maschine 11 aufgebaut ist und insbesondere entweder aus einer stromerzeugenden Maschine oder einer beliebigen Arbeitsmaschine besteht.

Dieses System funktioniert dann folgenderweise :

Das zu verflüssigende Gas, zum Beispiel das natürliche Erdgas GN fliesst in die Leitung 4 mit einem hohen absoluten Druck, zum Beispiel in der Grössenordnung von etwa 40 Bar, und mit einer Temperatur von zum Beispiel etwa -35°C ein. Dieses Gas strömt durch die Abflussleitung 5 des Wärmeaustauschers 3, wobei dann mit dem vorgenannten Kühlmedium ein Wärmeaustausch stattfindet. Das Gas wird dort aufeinander folgend abgekühlt, bis er verflüssigt und dann untergekühlt wird, damit es über die Leitung 6 immer unter hohem Druck und mit einer Temperatur von zum Beispiel etwa -150⁰C aus dem Austauscher 3 ausläuft. Das verflüssigte Gas fliesst dann durch die Wasserturbine 7 und wird dort so weit entspannt, dass es nun einen niedrigen Druck von zum Beispiel etwa 3 Bar aufweist und dabei eine äussere Arbeit leistet, die die kontinuierliche Drehbewegung der Turbine 7 bewirkt. Die Turbine kann dann gegebenenfalls die laufende

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Maschine 11 mechanisch antreiben, um 'ein'ea technisch" .nu-czbaren Effekt zu erzeugen. Am Ausgang der Turbine 7 kann gegebenenfalls dieses entspannte Medium zusätzlich entspannt werden, und zwar mit Hilfe des Druckreduzierventils 10, wobei es schliesslich aufgefangen und im flüssigen Zustand GHL in den Behälter 9 gespeichert wird.

Bei dem Arbeitszyklus des Kühlmediums wird letzteres im vollkommen verdampften Zustand mit einem niedrigen Druck von zum Beispiel 2,7 Bar und einer Temperatur von zum Beispiel etwa -38⁰C durch die Niederdruckstufe 12a des Verdichters 12 angesaugt, von dort mit einem mittleren Druck durch den Zwischenkühler 13 hindurch verdrängt und dann in die Hochdruckstufe 12b desselben Verdichters angesaugt, der dieses Medium, welches sich immer im gasförmigen Zustand befindet und einen Druck von zum Beispiel 40 Bar aufweist, aufeinander folgend über den Zwischenkühler 15 und den Kondensor 16, in welchem das Kühlmedium entweder teilweise oder vollkommen kondensiert wird und immer denselben hohen Druck sowie eine Temperatur von zum Beispiel etwa -35⁰C aufweist, in die Leitung 14 verdrängt. Das Medium fliesst dann in die Abflussleitung 17 des Wärmeaustauschers 3 und wird dort mit einem verdampften Teil von ihm selbst in Wärmeaustausch gesetzt, so dass er weiter, gegebenenfalls bis zur vollkommenen Verflüssigung abgekühlt wird, sofern diese Verflüssigung in dem Kondensor 16 nicht stattgefunden hat. Dieses Medium wird dort im flüssigen Zustand bis zu einer Temperatur von zum Beispiel etwa -150⁰C bei einem Druck von etwa 38 Bar untergekühlt, um dann über die Leitung 18 in die Wasserturbine 19 einzufliessen. Es entspannt sich dort bis zu einem niedrigen Druck von zum Beispiel etwa 3 Bar und mit einer Temperatur von etwa -153°C und fliesst über die Leitung 20 gegebenenfalls nach Durchströmung des Ventils 22 und entsprechender zusätzlicher Entspannung in den Wärmeaustauscher 3 zurück. Die Entspannung in der Turbine 19 erzeugt oder unterhält die kontinuierliche Drehbewegung der Turbine mit gegebenenfalls gleichzeitigem Antrieb der laufenden Maschine 23. Das entspannte Medium wird dann Über das Organ 21 verteilt und zum Beispiel in Form von Strahlen in den Inneren des Wärmeaustauschers 3 gesprüht bzw. zerstäubt. Dieses Külmedium fliesst durch den Austauscher hindurch im Gegenstrom zu den AbfLussleitungen 5 und 17, die es stark abkühlt, und verdampft sich weiter in dem Mantel des genannten Wärmeaustauschers. Es bewirkt daher in den genannten Abflussleitungen die gesamte Verflüssigung der darin enthaltenen Medien sowie ihre jewei-

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lige Unterkühlung. Das verdampfte Kühlmedium fll"e"sst danrrilber die Auslassöffnung 24 aus dem Wärmeaustauscher 3 und weist dabei einen niedrigen Druck von 2,7 Bar sowie eine Temperatur von -38°C auf. Es strömt dann über die Leitung 25 zu der Ansaugöffnung der Niederdruckstufe 12a des Verdichters 12 zurück, damit dieser Zyklus sich wiederholt, scüaage der Kreislauf 1 mit zu verflüssigendem Gas gespeist wird. Da dank der vorliegenden Erfindung die Entspannung des verflüssigten Gases in der Turbine 7 eine stärkere Abkühlung desselbens als mit einem einfachen Ventil erzielen lässt, können das Kühlvermögen des Wärmeaustauschers 3 und demzufolge der Leistungsbedarf des Verdichters 12 herabgesetzt werden, so dass die Anlage wirtschaftlicher betrieben werden kann. Da gemäss der vorliegenden Erfindung die gewöhnlichen Druckreduzierventile durch Entspannungswasserturbinen ersetzt werden, ist der grosse Energieverlust derartiger Ventile, der auf den grossen Druckunterschied im Laufe der Entspannung zurückzuführen ist, nicht mehr vorhanden, so dass das System gemäss Figur 1, welches in vorteilhafter Weise einfach aufgebaut ist, sich wegen seinen hohen Leistungen besonders günstig erweist.

Das in Figur 2 gezeigte System unterscheidet sich von jenem der Figur 1. durch die besonders ausgearbeitete Ausführung des Kreislaufes bzw. Arbeitszyklus 2 des Kühlmediums. Der Wärmeaustauscher ist hier in zwei Abschnitten 3a und 3b geteilt, die, anstatt eines einzigen Apparates zu bilden, zwei getrennte Einheiten darstellen, die serienmässig miteinander verbunden sind. In dem Abschnitt 3a erfolgt die Verflüssigung der betreffenden Medien und insbesondere des zu verflüssigenden Gases sowie der gasförmigen Phase des Kühlmediums, während in dem Abschnitt 3b die Unterkühlung der jeweils in dem Abschnitt 3a verflüssigten Medien stattfindet.

Zwischen dem Kondensor 16 und dem Abschnitt 3a des Wärmeaustauschers 3 ist ein Phasenabscheider 26 zwischengeschaltet, der mit dem Ausgang des Kondensors 16 verbunden ist, während die Abflussleitung 17 der Figur 1 in diesem Fall durch zwei Abflussrohre 17a und 17b ersetzt ist, die sich im wesentlichen gleichlaufend zueinander erstrecken. Das erste Abflussrohr verläuft aufeinander folgend in den Abschnitten 3a und 3b des Wärmeaustauschers 3, während das zweite Abflussrohr 17b sich ausschliesslich in dem Abschnitt 3a erstreckt. Das Abflussrohr 17a ist durch sein stromaufwärts gerichtetes Ende

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über die Leitung I4a mit dem Dampfsammelgefäss des Phasenabscheiders 26 verbunden, während das Abflussrohr 17b über die Leitung 14b durch ihr stromaufwärts gerichtetes Ende mit dem Sammelgefäss für die flüssige Phase des Phasenabscheiders 26 verbunden ist. Das stromabwärts gerichtete Ende des Abflussrohres 17a ist über die Leitung 18a mit dem Eingang der kälteerzeugenden Entspannungswasserturbine 19a verbunden, welche gegebenenfalls über ihre Welle mit einer laufenden Maschine 23a mechanisch gekuppelt ist. Der Ausgang dieser Turbine ist über die Leitung 20a, gegebenenfalls über ein zusätzliches Druckreduzierventil 22a, mit dem Zerstäubungsorgan 21a, der insbesondere Strahlen spritzt und am entsprechenden Ende des Abschnittes 3b des Wärmeaustauschers 3 angeordnet ist, verbunden. Das stromabwärts gerichtete Ende des Abflussrohres 17b ist über die Leitung 18b mit der kälteerzeugenden Wasserturbine 19b verbunden, die gegebenenfalls über ihre Welle mechanisch mit einer laufenden Maschine 23b gekuppelt ist und deren Ausgang über die Leitung 20b gegebenenfalls über ein zusätzliches Druckreduzierventil 22b an das Zerstäubungsorgan 21, welches an einer zwischenliegenden Stelle in dem Wärmeaustauscher 3 im wesentlichen in Höhe des beiden Abschnitten 3a und 3b gemeinsamen Endes angeordnet ist, angeschlossen ist.

Die Arbeitsweise dieses Systems ist die folgende :

Das natürliche Erdgas GN, welches zum Beispiel eine Temperatur von etwa -35⁰C und einen Druck von etwa 45 Bar aufweist, wird im gasförmigen Zustand in den im Bereich 3a des Wärmeaustauschers 3 liegenden Abschnitt der gewickelten Abflussleitung 5 eingeleitet und dort verflüssigt, wobei dieses verflüssigte Gas anschliessend in dem im Bereich 3b des Wärmeaustauschers 3 liegenden Abschnitt der Abflussleitung 5 untergeklilt wird, so dass es mit einer Temperatur von etwa -16O°C und einem absoluten Druck von 42 Bar ausfliesst. Dieses Gas wird dann aufeinander folgend entspannt und gespeichert, wie das schon in Bezug auf Figur 1 beschrieben worden ist.

Das auf einen hohen Druck komprimierte Kühlmittel ist in dem Kondensor 16 bei einer Temperatur von -35°C und einem Druck von 40 Bar zur Bildung eines Phasengemisches bestehend aus einer gasförmigen und einer flüssigen Phase, welche mit Hilfe des Abscheiders 26 abgeschieden werden, teilweise kondensiert. Die gasförmige Phase wird über die Leitung 14a in den im Bereich 3b des Wärmeaustauschers

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3 liegenden Abschnitt der Abflussleitung 17a eingeleitet und dort verflüssigt, um dann in dem Abschnitt der Abflussleitung 17a, der im Bereich 3b des Wärmeaustauschers 3 angeordnet ist, untergekühlt zu werden. Diese untergekühlte Fraktion, die eine Temperatur von zum Beispiel etwa -16O°C und einen Druck von zum Beispiel etwa 38 Bar aufweist, fliesst über die Leitung 18a aus und verläuft durch die Wasserturbine 19a, um dort entspannt zu werden. Die Entspannung, die die kontinuierliche Drehbewegung der Turbine und gegebenenfalls der laufenden Maschine 23a bewirkt, hat diese Fraktion bis zu einer Temperatur von etwa -163°C gekühlt und dabei ihren Druck auf einen Wert von etwa 3,2 Bar herabgesetzt, wobei diese entspannte Fraktion dann über die Leitung 20a gegebenenfalls nach zusätzlicher Entspannung mit Hilfe des Ventils 22a zu dem Zerstäubungsorgan 21a geleitet wird und dort zum Beispiel zerstäubt bzw. gespritzt wird. Dieses zerstäubte Kühlmedium fliesst zum Beispiel im Inneren des Aussenmantels des Wärmeaustauschers 3 und verdampft sich dabei weiter, wobei es die Abflussleitungen 5, 17a und 17b umspült und gegenüber den durch diese Leitungen geförderten Medien im Gegenstrom fliesst. Die flüssige Phase des Kühlmediums, die vom Abscheider 26 herrührt, wird über die Leitung 14b in die Abflussleitung 17b des Wärmeaustauschers 3 eingeleitet und dort bis zu einer Temperatur von etwa -120⁰C und mit einem Druck von etwa 38 Bar untergekühlt ; diese flüssige Fraktion fliesst über die Leitung 18b aus dem Wärmeaustauscher 3 und strömt dann durch die Wasserturbine 19b hindurch, um dort entspannt zu werden und auf diese Weise die kontinuierliche Drehbewegung der Turbine _unü gegebenenfalls der angetriebenen laufenden Maschine 23b hervorzurufen. Diese Entspannung bewirkt eine Kühlung dieser Fraktion bis zu einer Temperatur von etwa -123°C sowie die Herabsetzung ihres Druckes zum Beispiel bis zu einem Wert von 3,0 Bar, so dass das entspannte Medium über die Leitung 20b zu dem Zerstäubungsorgan 21b zugeleitet und dort ins Innere des Abschnittes 3a des Wärmeaustauschers 3 zum Beispiel zerstäubt wird, wobei sie dabei eine weitere Verdampfung erfährt. Diese verdampfte Fraktion des Kühlmediums mischt sich mit der verdampften Fraktion des Kühlmediums, welche von dem Abschnitt 3b des Wärmeaustauschers 3 herrührt, strömt um die drei Abflussleitungen 5, 17a und 17b herum und wird im Gegenstrom zu den durch diese Leitungen geförderten Medien geleitet. Die unmittelbare Berührung zwischen dem verdampften Kühlmedium und den genannten Abflussleitungen bewirkt einen intensiven Wärmeaustausch zwischen letzteren und ruft einerseits die starke Unterkühlung des verflüs-

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sigten Gases und des verflüssigten Kühlmediums, welches im Bereich 3b des Wärmeaustauschers 3 in den entsprechenden Abschnitten der Abflussleitungen· 5 und 17a im Umlauf gesetzt ist, sowie andererseits die Verflüssigung dieser Medien in den entsprechenden Abschnitten der Abflussleitungen 5 und 17a, die im Bereich 3a des Wärmeaustauschers 3 angeordnet sind, und auch die Unterkühlung des flüssigen Kühlmediums hervor, welches in dem gleichen Bereich 3a des Wärmeaustauschers durch die Leitung 17b geleitet wird. Das gesamte verdampfte Kühlmedium, welches den Wärmeaustauscher 3 über die Ausgangöffnung 23 und die Leitung 25 mit einer Temperatur von -38°C und einem Druck von 2,7 Bar verlässt, wird durch den Verdichter 12 wieder angesaugt und der Kühlungszyklus wiederholt sich.

Das in Figur 3 gezeigte System unterscheidet sich hauptsächlich von jenem der Figur 2 einerseits durch die Vorkühlung des zu verflüssigenden Gases und andererseits durch den Einsatz von zwei getrennten Kühlmedienkreisläufen, und zwar einem hauptsächlichen oder leichten Zyklus 2 und einem schweren bzw. hilfszyklus 3 (mit Bestandteilengemisch), welche in eine sogenannte Kühlungskaskade kombiniert sind, welche mit Hilfe des Kondensors 16', der für beide Kühlungszyklen 2 und 3 einen gemeinsamen kälteerzeugenden Wärmeaustauscher bildet und zwischen letztere eine thermische Zusammenwirkung sichert, integriert ist.

Der Kreislauf 1 des zu verflüssigenden Gases umfasst einen kälteerzeugenden Wärmeaustauscher 27 zur Vorkühlung des zu behandelnden Gases, der beiden Kreisen, nämlich dem Kreislauf 1 des zu verflüssigenden Gases und dem leichten bzw. Hauptkühlmittelkreislauf 2 gemeinsam ist. Dieser Austauscher 27» vorzugsweise ein Plattenaustauscher besitzt Fliesstrecken 28, 29, die jeweils vor dem Wärmeaustauscher 3 in die Leitung 4 und zwischen dem Ausgang 24 des Austauschers 3 und der Ansaugöffnung an der Basis des Verdichters 12 in die Leitung 25 eingeschaltet sind. Zwischen dem Ausgang des Austauschers 27 und dem Eingang des Wärmeaustauschers 3 kann ausserdem ein Gerät 30 zur Behandlung der Gase, welches zum Beispiel die Entfernung der schweren Bestandteile des Gases bewirkt, vorgesehen werden.

Der Kreis 1 funktioniert folgenderweise :

Das zu verflüssigende Gas GN, welches mit einer Temperatur

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von zum Beispiel etwa +20⁰C und einem absoluten Drück von zum Beispiel etwa 46 Bar in die Leitung 4 eingeleitet wird, fliesst durch die Fliesstrecke 28 des Wärmeaustauschers 27 hindurch, wird dort vorgekühlt und gegebenenfalls durch Wärmeaustausch mit dem Hauptkühlmedium, welches durch die Fliesstrecke 29 gefördert wird, teilweise kondensiert. Stromabwärts des Wärmeaustauschers 27 wird das Gas durch das Behandlungsgerät 30 geleitet und verlässt letzteres mit einer Temperatur von zum Beispiel etwa -5O⁰C und einem Druck von zum Beispiel etwa 45 Bar, um anschliessend durch die Abflussleitung 5 des Wärmeaustauschers 3 zu strömen, dort vollkommen verflüssigt und dann zu einer Temperatur von zum Beispiel etwa -158°C und einem Druck von zum Beispiel etwa 42 Bar untergekühlt zu werden. Das verflüssigte Gas wird dann entspannt und gespeichert, wie das schon beschrieben worden ist, und zwar mit einer Temperatur von zum Beispiel -158,5°C und einem Druck von 1,10 Bar.

In dm KrFfaflaif des Hauptkühlmediums besitzt der Kondensor 16', der vorzugsweise einen kälteerzeugenden Plattenaustauscher bildet, wenigstens eine Abflussleitung 31, die zwischen dem Ausgang des Endekühlers 15 und dem Eingang des Phasenabscheiders 26 in die Leitung 14 eingeschaltet ist. Dieser Zyklus 3 funktioniert folgenderweise :

Am Ausgang des Endkühlers 15 weist das Hauptkühlmedium eine Temperatur von zum Beispiel etwa +3O⁰C und einen Druck von etwa 41 Bar auf ; es fliesst durch die Abflussleitung 31 des kälteerzeugenden Austauschers 16' und wird dort durch Wärmeaustausch mit dem Hilfskühlmedium des KUh3ungskcedslaufes 3 teilweise kondensiert. Das Hauptkühlmedium, welches auf diese Weise teilweise kondensiert ist und eine Temperatur von zum Beispiel -5O⁰C und einen Druck von etwa 40 Bar aufweist, erfährt danach in dem Abscheider 26 eine Phasenabscheidung. Seine in dem Wärmeaustauscher 3 zum Beispiel bis zu einer Temperatur von -13O⁰C und mit einem Druck von zum Beispiel etwa 38 Bar untergekühlte flüssige Phase wird dann entspannt, so dass ihre Temperatur bis zum Beispiel etwa -133°C und ihr Druck bis 3,5 Bar herabgesetzt werden, und sie wird in dem Wärmeaustauscher 3 einer weiteren Verdampfung ausgesetzt, während die Dampfphase des Hauptkühlmediums, welche in dem Wärmeaustauscher 3 zum Beispiel bis zu einer Temperatur -von -158°C und mit einem Druck von 36 Bar aufeinander verflüssigt und untergekühlt wird, entspannt wird, so dass ihre

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Temperatur bis etwa -163°C und ihr Druck bis etwa 3,7 Bar herabgesetzt werden, wobei sie in dem Wärmeaustauscher 3 weiter verdampft wird. Das gesamt-e verdampfte Hauptkühlmedium, welches über die Auslassöffnung 24 mit einer Temperatur von etwa -60°C und einem Druck von etwa 3,2 Bar den Wärmeaustauscher 3 verlässt, fliesst durch die Fliesstrecke 29 im Gegenstrom zu dem in der Fliesstrecke 28 geförderten, zu verflüssigenden Gas und bewirkt durch Wärmeaustausch eine Kühlung dieses Gases. Das in dem Wärmeaustauscher 27 erwärmte Hauptkühlmedium weist am Ausgang dieses Austauschers eine Temperatur von etwa +7⁰C und einen niedrigen Druck von 3 Bar auf und wird über die Leitung 25 durch den Verdichter 12 wieder angesaugt.

Der geschlossene Kreislauf des Hilf skühlmediums bzw. des schweren Kühlmediums umfasst in seiner Strömungsrichtung gesehen, eine Verdichtungsgruppe 22 mit zwei Stufen bzw. zwei Verdichtern, und zwar einem Niederdruckverdichter 32a und einem Hochdruckverdichter 32b. Die Auslass- bzw. Verdrängungsöffnung des ersten Verdichters 32a, die einen mittleren Druck aufweist, ist an eine Leitung 33 angeschlossen, die mit dem Eingang des Kondensors 34·,. vorzugsweise eines Kondensors mit e"inem Kühlmedium äusseren Ursprungs, wie zum Beispiel Wasser oder Luft, verbunden ist. Der Ausgang des Kondensors 34 ist mit einem Phasenabscheider 35 verbunden, dessen Sammelgefäss für die Gasphase über eine Leitung 36 mit der Ansaugöffnung des zweiten Verdichters 32b verbunden ist ; die Auslass- bzw, Verdrängungsöffnung des Verdichters 32b ist. über eine Leitung 37 mit einem Kondensor 38, vorzugsweise einem Kondensor mit einem Kühlmedium äusseren Ursprungs, wie zum Beispiel Wasser oder Luft, verbunden. Das Sammelgefäss des Phasenabscheiders 35 für die flüssige Phase ist durch eine Leitung 39 über eine Förderpumpe 40 mit der Verdrängungsleitung 37 des zweiten Verdichters 32b verbunden, wobei der Anschlusspunkt 31 zwischen dem Verdichter 32b und dem Kondensor 38 liegt.

Der Hilfskühlmediumausgang des Kondensors 38 ist mit dem stromaufwärts gerichteten Ende einer in dem Wärmeaustauscher .16' angeordneten Abflussleitung 42 verbunden, deren Ausgang über eine Leitung 43 mit dem Eingang einer kälteerzeugenden Entspannungswasserturbine 44 verbunden ist, wobei letztere ausserhalb des Wärmeaustauschers 16' vorgesehen ist. Die Welle dieser Wasserturbine 44 kann gegebenenfalls mit einer laufenden Maschine 45 mechanisch gekuppelt sein. Der Ausgang der Wasserturbine 44 ist über eine Leitung 46 mit

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dem stromaufwärts gerichteten Ende mindestens einer Fliesstrecke 47 für das Hilfskühlmedium verbunden, wobei die Fliesstrecke 47 im Inneren des Wärmeaustauschers 16', zum Beispiel eines Plattenaustauschers, verläuft.

Die jeweiligen Fliesstrecken 31> 42 -und 47 sind im allgemeinen gleichlaufend zu derselben Richtung angeordnet und wirken durch Wärmeaustausch zusammen. Das stromabwärts gerichtete Ende der Fliessstrecke 47 ist über den Ausgang 48 des Wärmeaustauschers 16' durch eine Leitung 49 an die Ansaugöffnung des ersten Verdichters 32a angeschlossen.

Die Arbeitsweise des Zyklus 3 für das Hilfsmedium bzw. das schwere Medium ist dann die folgende : Das Hilfskühlmedium wird im gasförmigen Zustand, zum Beispiel mit einer Temperatur von etwa +25⁰C und einem Druck von etwa 3 Bar durch den ersten Verdichter 32a angesaugt und von letzterem mit einem mittleren Druck durch den Kondensor 34 geleitet, wobei dann dieses komprimierte Hilfskühlmedium zur Bildung eines Phasengemisches bestehend jeweils aus einer gasförmigen und einer flüssigen Phase, die anschliessend in dem Phasenabscheider 35 abgeschieden sind, teilweise kondensiert wird. Die gasförmige Phase, die zum Beispiel eine Temperatur von etwa +30⁰C und einen mittleren Druck von etwa 15 Bar aufweist, wird dann durch den zweiten Verdichter 32b angesaugt und mit einem hohen Druck in die Leitung 37 verdrängt. Die flüssige Phase, die den gleichen mittleren Druck aufweist, wird durch die Pumpe 40 angesaugt, welche ihren Druck auf den Verdrängungsdruck des zweiten Verdichters 32b erhöht und diese komprimierte flüssige Phase dann fördert, damit letztere sich in 41 mit dem gasförmigen, mit hohem Druck in die Leitung 37 verdrängten Kühlmedium mischt . Dieses Hochdruckphasengemisch, bestehend jeweils aus der gasförmigen und der flüssigen Phase, fliesst dann durch den Kondensor 38 hindurch, so dass das Hilfskühlmedium vollkommen kondensiert wird und den Kondensor mit einer Temperatur von etwa +30⁰C und einem Druck von etwa 25 Bar verlässt. Das flüssige Kühlmedium strömt dann durch die Fliesstrecke 42 des Wärmeaustauschers 16' hindurch und wird zum Beispiel bis zu einer Temperatur von etwa -50⁰C und einem Druck von etwa 23 Bar durch Wärmeaustausch mit seiner eigenen verdampften Fraktion untergekühlt. Dieses untergekühlte Kühlmedium wird dann zu der Wasserturbine 44 geleitet und dort entspannt (wobei es die kontinuierliche

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Drehbewegung dieser Turbine und den gegebenenfalls' 'gleichzeitigen Antrieb der laufenden Maschine 45 hervorruft), so dass seine Temperatur zum Beispiel bis etwa -53°C und sein Druck etwa bis 3,3 Bar herabgesetzt werden. Am Ausgang der Turbine 44 kann das entspannte Kühlmedium mit Hilfe des in der Leitung 46 eingeschalteten Druckreduzierventils 50 gegebenenfalls zusätzlich entspannt werden und dann fliesst es durch die Fliesstrecke 47 hindurch, um bei niedrigem Druck weiter verdampft zu werden, wobei in Bezug auf die jeweiligen Umlaufrichtungen der in die Leitungen 31 und 42 geförderten Medien seine Strömungsrichtung entgegengestetz ist. Das verdampfte Hilfskühlmedium bewirkt auf diese Weise durch Wärmeaustausch einerseits die Kühlung des leichten Mediums bzw. des Hauptmediums in der Leitung 31 bis zur Teilkondensierung desselbens und andererseits die Unterkühlung des flüssigen schweren Hilfskühlmediums, welches in der Leitung 42 in Umlauf gesetzt ist. Am Ausgang 48 des Wärmeaustauschers 16' weist das verdampfte Hilfskühlmedium eine Temperatur von zum Beispiel +25⁰C und einen Druck von 3 Bar auf, es wird bei diesem Druck im gasförmigen Zustand durch den ersten Verdichter 32a wieder angesaugt und der Kühlungszyklus 3 kann sich wiederholen.

Zur Information ist in der Folge ein Vergleich der jeweiligen Leistungen eines erfindungsgemässen Systemes nach Figur 3 und eines schon bekannten Systemes, welches ähnlich wie das System der Figur 3 aufgebaut ist und jedoch zur Entspannung Ventile einsetzt, angegeben. In beiden Fällen, d.h. gemäss der vorliegenden Erfindung und gemäss der schon bekannten Technik, liegt das zu verflüssigende natürliche Erdgas unter folgenden Bedingungen vor :

- Temperatur : 20⁰C

- Absoluter Druck :■ 45 Bar

- Massendurchsatz : 181.500 kg/st

- Chemische Zusammensetzung, in Gewichts-% ausgedrückt :

- Methan : 79,56

- Aethan : 9,95
-Propan : 7,29

- Isobutan : 1,60

- Normalbutan : 1,60

Am Ausgang des Entspannungsorganes liegt das verflüssigte Gas unter folgenden Bedingungen vor :

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- Temperatur : -158,5°C

- Absoluter Druck : 3 Bar

- Massendurchsatz : 181.500 kg/st

- Chemische Zusammensetzung : ähnlich wie diejenige des na

türlichen Erdgases.

Das flüssige natürliche Erdgas wird dann in einem Behälter mit einem absoluten Druck von etwa 1,10 Bar gespeichert.

Die aktiven Flächen der Wärmeaustauscher i6^r, 27, 3a und-3b sind gleich und die Werte der Verhältnisse der ausgetauschten Wärmemengen zu den mittleren Temperaturwerten sind jeweils die folgenden :

- 8,500.000 kcal/sfc/°C für den Wärmeaustauscher 16',

- 1.450.000 kcal^fc/°C für den Wärmeaustauscher 27,

- 9.200.000 kcalifc/°C für den Wärmeaustauscher 3a,

- 1.700.000 kcal/&/°C ?&? den Wärmeaustauscher 3b.

Der Vergleich der jeweiligen Leistungen in beiden Fällen ist in der folgenden Tabelle zahlenmässig angegeben :

Tabelle 1

Leistungen	Gemäss der Erfindung Figur 3	Schon bekannte Technik nach Figur 3 ohne Tur bine (Entspannung durch Ventile)
Hauptzyklus 2- Kennwerte des Kühl mediums Gesamtmassendurchsatz in kg/sfc : Zusammensetzung in Gew.-% : - Stickstoff - Methan - Aethan - Propan Leistung der Verdich ter 12 in kW :	339.320 7,24 26,91 49,79 16,06 33.737	352.850 8,37 26,51 51,84 13,27 35.283

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Leistungen	Gemäss der Erfindung Figur 3	Schon bekannte Technik nach Figur 3 ohne Tur bine (Entspannung durch Ventile)
Hilfszyklus 3 Ge samtmas s endurchsat ζ in kg/st : Zusammensetzung in Gew.-% : - Methan - Aethan - Propan - Isobutan - Normalbutan Leistung der Verdich ter 32 in kW :	416.013 0,78 32,66 24,48 21,04 21,04 16.961	431.270 1,18 33,11 25,89 19,91 19,91 18.463
Leistung der Turbinen in kW : - Turbine 7 - Turbine 19a - Turbine 19b - Turbine 44	IV)VM VM VO IV)VDVJl OVJlIV)O	oooo
Gesamtleistung der Tur binen in kW :	1.057	O
Gesamtleistung der Ver dichter in kW :	50.698	53.746

So kann man feststellen, dass die Zunahme bzw. der Gewinn bezüglich der Gesamtleistung der Verdichter 3.048 kW, d.h. etwa 6 % der gesamten Leistung der Verdichter beträgt. Die Gesamtleistung, die gegebenenfalls in Form von mechanischer Energie an der Welle der jeweiligen Entspannungsturbinen zurückgewonnen werden kann, beträgt 1.057 kW, d.h. etwa 2 % der gesamten Leistung der Verdichter.

Die Entspannung des verflüssigten natürlichen Erdgas GKL erfolgt ausschliesslich in der Turbine 7. Die jeweiligen Entspannungsvorgänge der jeweils Haupt- und Hilfskühlmedien umfassen jeweils zwei Stufen, d.h. :

- Entspannung einer einzelnen Phase in jeder Turbine 19a,

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19b, 44,

- Entspannung zweier Phasen in jedem stromabwärts angeordneten Ventil 22a, 22b, 50.

Die unten angeführten Herabsetzungen des absoluten Druckes werden durch die gemäss dem Schema der Figur 3 durchgeführten Entspannungen erzielt :

- verflüssigtes natürliches Erdgas GNL, Entspannung von 42 Bar auf 3 Bar in der Turbine 7,

- Hauptkühlmedium, Entspannung von 36 Bar auf 6,2 Bar in der Turbine 19a,

- Hauptkühlmedium, Entspannung von 6,2 Bar auf 3,7 Bar in dem Ventil 22a,

- Hauptkühlmedium, Entspannung von 38 Bar auf 7 Bar in der Turbine 19b,

- Hauptkülmedium, Entspannung von 7 Bar auf 3»5 Bar in dem Ventil 22b,

- Hilfskühlmedium, Entspannung von 23 Bar auf 4,3 Bar in der Turbine 44,

- Hilfskühlmedium, Entspannung von 4,3 Bar auf 3,3 Bar in dem Ventil 50.

In beiden Fällen, d.h. gemäss der vorliegenden Erfindung und gemäss der schon bekannten Technik wurden die gleichen Verfahrensschritte durchgeführt, jedoch mit Ausnahme der folgenden :

Tabelle 2

Bedingungen	Gemäss der Erfindung	Gemäss der schon be kannten Technik
Temperatur des verflüssigten natürlichen Erdgases in 6 und des Hauptkühlmediums 18a, in ⁰C ausgedrückt : Absoluter Druck des Hilfskühlmedium am Ausgang des Elementes 38, in Bar ausge drückt : Absoluter Druck des Hilfskühlmedium in 43, in Bar ausgedrückt :	-158 25 23	-160 26,4 24,4

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-Hz-

Die Leistungszunahme, die durch die Verwendung von Turbine erzielt werden kann, ist in der folgenden Tabelle zahlenmässig angegeben :

Tabelle 3

Turbine Nr.	Turbinen leistung in kW	Entspannungs temperatur in ⁰C	Erhöhung der Ver di chtung siei stung des Kuhlmediums in kW
7 19a 19b 44 GESAMT	350 92 325 290 1.057	-158 -158 -130 - 50	1,403 380 982 283 3.048

So kann man feststellen, dass der Einsatz einer Entspannungswasserturbine umso günstiger ist, je die Temperatur niedrig ist.

Bei dem typischen Ausführungsbeispiel der Figur 3, beträgt die gesamte Nutzleistung der Verdichter 12 und 32 der jeweils Haupt- und Hilfskühlmedien :

- ohne Turbinen 7, 19a, 19b und 44 : 53.746 kW.;

- mit den Turbinen : 50.698 kW.

Der Einsatz der genannten Wasserturbinen lässt daher gegenüber der Leistung der Kühlmedienverdichter in dem betreffenden Beispiel eine gesamte Kraftersparnis von 3.048 kW erzielen, während die gesamte mechanische tatsächliche Leistung, die an den Wellen der Turbinen zurückgewonnen wird, 1.057 kW beträgt.

Das System gemäss Figur 4 ist eine ausführlich ausgearbeitete Ausbildung zweier Kühlmedienzyklen 2 und 3, jeweils für das leichte oder Hauptkühlmedium und das schwere oder Hilfsmedium. Der Kondenscr-Wärmeaustauscher 16· der Figur 3 ist in diesem Fall durch zwei getrennte Einheiten 16'a und 16'b ersetzt, welche jeweils zum Beispiel

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als Plattenaustauscher ausgebildet sind, welche miteinander in Verbindung stehen oder serienmässig geschaltet sind, wobei es sich entweder um getrennte Einheiten oder um in einem gemeinsamen Wärmeaustauscher integrierte Einheiten handeln kann«

In dem Zyklus bzw. Kreislauf 2 des Hauptkühlmediums (leichten Mediums) ist der Ausgang des Endkühlers 15 über eine Leitung 14 mit dem stromaufwärts gerichteten Ende mindestens einer in dem ersten Kondensor-Wärmeaustauscher I6'a enthaltenen Abflussleitung 31a verbunden und das stromabwärts liegende Ende dieser Leitung 31a ist am Ausgang des Austauschers 16'a mit einem Phasenabscheider 51 verbunden. Das Sammelgefäss dieses Abscheiders für die flüssige Phase ist über eine Leitung 52 mit dem stromaufwärts gerichteten Ende mindestens einer Abflussleitung 53 verbunden, die in dem Wärmeaustauscher 27 angeordnet ist und sich im wesentlichen gleichlaufend zu der allgemeinen gemeinsamen Erstreckung der Fliesstrecken 28 und 29 erstreckt. Das stromabwärts liegende Ende der Abflussleitung 53 ist über eine Leitung 54 mit dem Eingang einer Entspannungswasserturbine 55 verbunden, deren Welle gegebenenfalls mit einer laufenden Maschine 56 mechanisch gekuppelt ist und deren Ausgang durch eine Leitung 57, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines zusätzlichen Druckreduzierventils 58 in einem Anschlusspunkt 59, welcher zwischen der Ausgangsöffnung 24 des Wärmeaustauschers 3 und der entsprechenden Eingangöffnung des Wärmeaustauschers 27 angeordnet ist, an die Leitung 25 angeschlossen ist.

Das Sammelgefäss des Phasenabscheiders 51 für die gasförmige Phase ist über eine Leitung 60 mit dem stromaufwärts gerichteten Ende mindestens einer Abflussleitung 31 verbunden, die in dem zweiten Kondensor-Wärmeaustauscher 16'b vorgesehen ist und deren stromaufwärts gerichtetes Ende über eine äussere Leitung mit dem an Hand der Figur 3 schon beschriebenen Phasenabscheider 26 verbunden ist.

In dan geschlossenen Kreislauf 3 des Hilfskühlmedium (schweren Mediums) besteht in diesem Fall die Verdichtungsgruppe 32, in der Strömungsrichtung des Kühlmediums gesehen, aus einem ersten Verdichter 32a-, einem zweiten Verdichter 32a₂ und einem dritten Verdichter 32 b, die jeweils Verdichtungsstufen bilden und wie in den vorherigen Ausführungsformen, entweder getrennt durch jeweilige Antriebsmaschinen oder paarweise oder noch insgesamt durch eine gemeinsame Anfcriebs-

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maschine angetrieben werden können, wobei sie in diesem Fall durch ihre jeweiligen Wellen miteinander mechanisch gekuppelt sind. Ausserdem, wie in den vorangehenden Ausführungsformen, können jeweils die Verdichtungsgruppe 12 des Hauptkühlmediumskreislaufes 2 und die Verdichtungsgruppe 32 des Hilfskühlmediumkreislaufes 3 getrennt durch eigene Antriebsmaschinen angetrieben werden, oder eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die zwei Verdichtungsgruppen oder zwei Verdichter, die jeweils jeder Gruppe gehören, durch eine gemeinsame Antriebsmaschine angetrieben und zu diesem Zweck mechanisch miteinander gekuppelt werden.

Die Ausgangs- bzw. Verdrängungsöffnung des ersten Verdichters 32a,. ist mit Hilfe einer Leitung 60 mit der Ansaugöffnung des zweiten Verdichters 32a₂ über einen Zwischenkühler 34' verbunden, wobei letzterer vorzugsweise ein Kühler mit einem Kühlmedium äusseren Ursprungs wie zum Beispiel Wasser oder Luft ist. Der zweite Verdichter 32a~ und der dritte Verdichter 32b sind ähnlich wie die jeweiligen ersten und zweiten Verdichter 32a und 32b der Darstellung der Figur 3 ausgebildet, so dass sie ähnlich wie in diesem vorangehenden Ausführungsbeispiel aneinander angeschlossen sind.

Der Ausgang des Endkühlers 38 ist mit dem stromaufwärts gerichteten Ende mindestens einer in dem ersten Kondensor-Wärmeaustauscher i6'a enthaltenen Abflussleitung 42a verbunden, deren stromabwärts liegendes Ende über eine zwischenliegende Leitung 37' mit dem stromaufwärts liegenden Ende einer Abflussleitung 42b verbunden ist. Die Leitung 42b ist in dem zweiten Kondensor-Wärmeaustauscher 16'b angeordnet und ihr stromabwärts liegendes Ende ist über eine äussere Leitung 43b an den Eingang einer Entspannungswasserturbine 44b angeschlossen, deren Welle gegebenenfalls mit einer laufenden Maschine 45b mechanisch gekuppelt ist. Der Ausgang der Turbine 44b ist mittels der Leitung 46b und gegebenenfalls über ein zusätzliches Druckreduzierventil 50b an das stromaufwärts liegende Ende mindestens einer Fliesstrecke 47b angeschlossen, welche ihrerseits in dem zweiten Kondensor-Wärmeaustauscher 16'b angeordnet ist und deren stromabwärts liegendes Ende über eine äussere Leitung 49b mit der Ansaugöffnung des ersten Verdichters 32a^ verbunden ist. Die zwischenliegende Leitung 37' ist in der Tat abgezweigt, da an einen zwischenliegenden Anschlusspunkt 61 derselben eine Abzweigleitung 34a angeschlossen ist, welche zwischen diesem Punkt und dem Eingang einer

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kälteerzeugenden Entspannungswasserturbine 44a, deren Welle gegebenenfalls mit einer laufenden Maschine 45a mechanisch gekuppelt ist, eine Verbindung herstellt. Der Ausgang dieser Turbine 44a ist über eine Leitung 46a, gegebenenfalls über ein zusätzliches Druckreduzierventil 50a, mit dem stromaufwärts liegenden Ende mindestens einer Fliesstrecke 47a verbunden, die sich in dem ersten Kondensor-Wärmeaustauscher 16'a erstreckt und deren stromabwärts liegendes Ende am Ausgang 48a des Austauschers I6'a über eine äussere Leitung 49a an die Ansaugöffnung des zweiten Verdichters 42a„ angeschlossen ist und dabei die Leitung 60 in Höhe eines gemeinsamen Anschlusspunktes 62 trifft.

Die Merkmale bei der Arbeitsweise des Systems der Figur 4 sind die folgenden :

- In dem Kreislauf 1 fliesst das zu verflüssigende Gas GN, welches über die Leitung 4 zum Beispiel mit einer Temperatur von +20⁰C und einem Druck von etwa 45 Bar zugeleitet wird, durch die Fliesstrecke 28 des Kühlers 27 und wird dort durch Wärmeaustausch mit dem Hauptkühlmedium zum Beispiel zu einer Temperatur von etwa -70⁰C und einem Druck von etwa 44 Bar vorgekühlt. Dieses so gekühlte Gas wird gegebenenfalls zu einem Gerät 30 zur Behandlung der Gase zur Entfernung seiner schwersten Bestandteile zugeleitet und fliesst dann durch den Wärmeaustauscher 3 hindurch, um dort bis zu einer Temperatur von etwa -160⁰C und einem Druck von 41 Bar aufeinander folgend verflüssigt und untergekühlt zu werden. Abwärts des Wärmeaustauschers wird das verflüssigte untergekühlte Gas aufeinander folgend entspannt und gespeichert, wie das schon beschrieben worden ist.

- In dem geschlossenen Kreislauf des Hauptkühlmediums (leichten Mediums) fliesst dieses Medium, welches in gasförmigen Zustand aus dem Endkühler 15 ausläuft und dabei eine Temperatur von etwa +30⁰C und einen Druck von 31 Bar aufweist, durch die Fliesstrecke 31a des ersten Kondensor-Wärmeaustauschers I6^ra und wird dort durch Wärmeaustausch mit dem Hilfskühlmedium teilweise verflüssigt. Das Hauptkühlmedium, das teilweise kondensiert ist, verlässt den ersten Kondensor-Wärmeaustauscher 16'a mit einer Temperatur von etwa -30⁰C und einem Druck von etwa 30 Bar und erreicht den Abscheider 51, in welchem die Abscheidung der jeweiligen gasförmigen und flüssigen

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Phasen durchgeführt wird. Die flüssige Phase fliesst dann in die Abflussleitung 53 des Wärmeaustauschers 27» wird dort Ms zu einer Temperatur von etwa -70⁰C und einem Druck von 28 Bar untergekühlt und wird zu der kälteerzeugenden Wasserturbine 55 zugeleitet, in welcher sie entspannt wird und dabei eine Herabsetzung ihrer Temperatur auf -75°C und ihres Druckes auf 3,2 Bar erfährt, wobei der Durchfluss dieser Phase durch die Turbine die kontinuierliche Drehbewegung der Turbine unter gleichzeitigem Antrieb der laufenden Maschine 56 bewirkt. Diese entspannte flüssige Phase erfährt gegebenenfalls eine zusätzliche Entspannung in dem eventuell vorhandenen Reduzierventil 58 und fliesst mit dem verdampften Anteil des Hauptkühlmediums, der durch die Ausgangoffnung 24 aus dem Wärmeaustauscher 3 ausläuft., zusammen, bevor die gesamte Mediummenge durch die Fliesstrecke 29 des Wärmeaustauschers 27 strömt, dort vollkommen verdampft und anschliessend durch die Verdichtungsgruppe 12 wieder angesaugt und wieder komprimiert wird. Die in dem Abscheider 51 abgeschiedene gasförmige Phase fliesst durch die Abflussleitung 31b des zweiten Wärmeaustauschers 16^!b und wird dort durch Wärmeaustausch mit dem Hilfskühlmedium teilweise verflüssigt, so dass sie aus dem Austauscher I6'b mit einer Temperatur von etwa -7O⁰C und einem Druck von 29 Bar ausläuft und dann zu dem Abscheider 26 zugeleitet wird. Der weitere Verlauf des zweiten Anteiles des Hauptkühlmediums entspricht demzufolge den vorangehenden Erläuterungen, die in Bezug auf der Ausführungsform der Figur 3 gegeben worden sind. Man müsste jedoch bemerken, dass die flüssige untergekühlte Fraktion des Hauptkühlmediums, die durch die Wasserturbine 19b strömt, in letztere mit einer Temperatur von etwa -14O°C und einem Druck von etwa 28 Bar eingeleitet wird und aus derselben im entspannten Zustand mit einer Temperatur von etwa 143⁰C und einem Druck von etwa 3,5 Bar ausläuft, während die untergekühlte flussige Fraktion des Hauptkühlme- -diums, welche die Wasserturbine 19a durchströmt, in dieselbe mit einer Temperatur von -16O°C und einem Druck von etwa 27 Bar zugeleitet wird und aus letzterer im entspannten Zustand mit einer Temperatur von etwa -163⁰C und einem Druck von etwa 2,7 Bar ausläuft. Der Anteil des Hauptkühlmediums, der in dem Wärmeaustauscher 3 vollkommen verdampft werden muss, weist an der Auslassöffnung 24 dieses Austauschers vorzugsweise die gleiche Temperatur (etwa -75°C) und den gleichen Druck (3,2 Bar) auf, wie der entspannte Anteil des Hauptkühlmediums, der über die Leitung 57 zugeleitet wird und sich mit dem erstgenannten Anteil in Höhe des Zusammenschlusspunktes 59

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mischt. Das gesamte Haupt kühlmediuifi* flies st""dann durch die Fliessstrecke 29 des Wärmeaustauschers 27, wird dort vollkommen verdampft und strömt entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung der Medien, die durch die jeweiligen Fliesstrecken und Abflussleitungen 28 und 53 dieses Austauschers 27 gefördert sind. Dabei erfolgt mit letzteren einen Wärmeaustausch, um das durch die Fliesstrecke 28 geförderte zu verflüssigende Gas zu kühlen und die flüssige Fraktion des Hauptkühlmediums in der Abflussleitung 53 unterzukühlen. Das gesamte, verdampfte, in dem Wärmeaustauscher 27 bis zu einer Temperatur von etwa +10⁰C erwärmte, einen Druck von etwa 3 Bar aufweisende Kühlmedium wird dann durch die Verdichtungsgruppe 12 wieder angesaugt und wieder verdichtet. Man kann daher feststellen, dass diese Ausführungsform nach Figur 4 eine Teilung des Hauptkühlmediums in zwei Anteilen vorsieht, wobei der grösste Anteil dieses Mediums den Wärmeaustauscher 3 durchströmt.

In dem geschlossenen Kreislauf 3 des Hilfskühlmediums (schweren Mediums) fliesst das komprimierte Hilfskühlmedium, welches mit einer Temperatur von zum Beispiel +3O⁰C und einem Druck von etwa 40 Bar im vollkommen kondensierten bzw. flüssigen Zustand aus dem Kondensor 38 ausläuft, durch die Abflussleitung 42a des ersten Wärmeaustauschers 16'a und wird dort zum Beispiel bis zu einer Temperatur von -30⁰C und einem Druck von etwa 39 Bar untergekühlt. Am Ausgang des ersten Wärmeaustauschers I6'a wird das untergekühlte Hauptkühlmedium am Punkt 21 der Leitung 37' zum ersten Mal in zwei Anteilen geteilt. Der erste Anteil strömt durch die Wasserturbine 44a, wird dort entspannt, bewirkt oder unterhält dabei die laufende Drehbewegung der Turbine und den eventuellen gleichzeitigen Antrieb der laufenden Maschine 45a und erfährt dabei eine Herabsetzung seiner Temperatur auf -33°C und seines Druckes auf etwa 10,2 Bar. Dieser entspannte Anteil wird gegebenenfalls einer zusätzlichen Entspannung in dem Druckreduzierventil 50a ausgesetzt, strömt durch die Fliessstrecke 47a des ersten Wärmeaustauschers I6'a hindurch, wird dort weiter verdampft und fliesst entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung der jeweiligen Medien der Leitungen 31a und 42a. Dabei findet mit letzteren ein Wärmeaustausch statt, damit das Hauptkühlmedium der Abflussleitung 31a teilweise verflüssigt und das flüssige Hilfsfeöhlmedium der Abflussleitung 42a untergekühlt wird. Der in dem ersten Wärmeaustauscher 16'a erwärmte, verdampfte Anteil des Hilfskühlmediums besitzt am Ausgang dieses Austauschers eine Temperatur

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von zum Beispiel etwa +25⁰C und einen Druck von etwa 10 Bar und wird durch den zweiten Verdichter 32a₂ wieder angesaugt. Der andere Anteil des flüssigen Hilfskiihlmediums in der Leitung 37', der einmal schon untergekühlt worden ist, strömt durch die Abflussleitung 42b des zweiten Wärmeaustauschers 16¹Td, wird dort zum Beispiel bis zu einer Temperatur von -7O⁰C und einem Druck von etwa 38 Bar weiter untergekühlt und anschliessend zu der Wasserturbine 44b zugeleitet, in welcher der genannte Anteil entspannt wird, die kontinuierliche Drehbewegung dieser Turbine mit gegebenenfalls gleichzeitigem Antrieb der laufenden Maschine 45b dabei bewirkt oder unterhält und erfährt eine Herabsetzung seiner Temperatur bis etwa -73⁰C und seines Druckes bis etwa 2,2 Bar. Dieser entspannte Anteil wird gegebenenfalls durch das Druckreduzierventil 50b einer zusätzlichen Entspannung ausgesetzt, strömt dann durch die Fliesstrecke 47b des zweiten Wärmeaustauschers i6'b, wird dort vollkommen verdampft und strömt gegenüber der Strömungsrichtung der jeweiligen Medien der Abflussleitungen 31b und 32b im Gegenstrom. Dabei erfolgt mit diesen Medien ein Wärmeaustausch, so dass in der Abflussleitung 31b das Hauptkühlmedium teilweise verflüssigt und in der Abflussleitung 42b das flüssige Hilfskühlmedium zusätzlich untergekühlt wird. Dieser verdampfte Anteil des Hilfskiihlmediums, die bei dem Durchfluss durch den zweiten Wärmeaustauscher 16'b erwärmt worden ist, läuft aus der Fliesstrecke 47b dieses Austauschers durch die Ablauföffnung 48b aus, weist dabei eine Temperatur von etwa -33°C und einen Druck von etwa 2 Bar auf und gelangt durch die Leitung 19b an die Ansaugöffnung des ersten Verdichters 32a., um dort im gasförmigen Zustand wieder komprimiert zu werden. Dieser Anteil wird dann in dem Zwischenkühler 34' gekühlt und fliesst in Höhe des Punktes 62 mit dem verdampften Anteil des Hilfskühlmediums zusammen, welcher durch die Leitung 49a aus dem ersten Wärmeaustauscher 16'a ausläuft. Die so wieder hergestellte gesamte Menge des gasförmigen Hilfskühlmediums wird dann durch den zweiten Verdichter 32a~ wieder angesaugt und wieder komprimiert. Das im gasförmigen Zustand komprimierte Hilfskühlmedium, welches in dem Kondensor 34 teilweise verflüssigt worden ist, besitzt am Ausgang dieses Kondensors eine Temperatur von etwa +30⁰C und einen Druck von etwa 20 Bar, um anschliessend in den Abscheider 35 eingeleitet zu werden.

Es wird darauf hingewiesen, dass mindestens eine oder jede der Fliesstrecken 29 (Kreislauf 2) und 47a, 47b (Kreislauf 3), in

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welcher die betreffenden Kählmedi en "vollkommen vercTampft sind, durch ein Verteilungsorgan, wie zum Beispiel das Zerstäubungsorgan 21a oder 21b ersetzt werden kann.

Das in Figur 5 gezeigte System verwendet ebenfalls einen einzigen geschlossenen Kreislauf bzw. Kühlungszyklus 2 für ein einziges Kühlmedium, welches in diesem Fall in vier Fraktionen geteilt ist, welche durch Wärmeaustausch mit eigenen im verdampften Zustand befindlichen Anteilen jeweils vorgekühlt werden und von welchen nur die letzte Fraktion für die Verflüssigung und die anschliessende Unterkühlung sowie für die Vorkühlung des zu verflüssigenden Gases verwendet wird. Der Kreislauf 1 des zu verflüssigenden Gases sowie der Abschnitt des Kühlmediumskreislaufes 2, welcher für die Vorkühlung, die Verflüssigung und die Unterkühlung des zu verflüssigenden Gases eingesetzt wird, sind den entsprechenden Abschnitten der Kreisläufe 1 und 2 der Figur 3 im wesentlichen ähnlich ausgeführt, insbesondere bezüglich der Wärmeaustauscher 3 und 27. Die besonderen Eigenschaften und Merkmalen dieses Kühlmediumkreislaufes 2 sind die folgenden :

Die Va^did±iqgsgtuppe 12 des gefltanigen Kühlmediums besteht aus drei Verdichtern 12a.., 12a„ und 12b, welche Verdichtungsstufen bilden und entweder getrennt durch separate Antriebsmaschinen oder insgesamt wenigstens für zwei dieser Verdichter oder sämtliche Verdichter mit Hilfe einer einzigen gemeinsamen Antriebsmaschine angetrieben werden können, wobei die gemeinsam angetriebenen Verdichter mechanisch miteinander gekuppelt sind. Die Auslass- bzw. Verdrängungsöffnung des zweiten Verdichters 12a ist über eine Leitung 63 mit dem Eingang eines Kondensors 64 verbunden, vorzugsweise eines mit einem Kühlmedium äusseren Ursprungs wie zum Beispiel Wasser oder Luft beschickten Kondensors, dessen Ausgang mit einem Phasenabscheider 65 verbunden ist. Das Sammelgefäss des Abscheiders 65 für die gasförmige Phase ist über eine Leitung 66 mit der Ansaugöffnung des dritten Verdichters 12b verbunden, dessen Verdrängungsöffnung über eine Leitung 67 mit dem Eingang eines Kondensors 68, dessen Ausgang an einen Phasenabscheider 69 angeschlossen ist, verbunden ist. Das Sammelgefäss des Abscheiders 65 für die flüssige Phase steht über eine Leitung 70 mit der Ansaugöffnung einer Förder- und Druckpumpe 71 in Verbindung, deren Verdrängungsöffnung mit der Verdrängungsleitung 67 des dritten Verdichters 12b in einem zwischenliegenden

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stromaufwärts des Kondensors 68""angeordneten AnscHlusspunkt 72 verbunden ist. Zwei aufeinander folgend angeordnete, als Kondensor wirkende Wärmeaustauscher 73a und 73b für Kühlmedien sind vorgesehen ; sie können aus zwei getrennten Einheiten bestehen oder in demselben Behälter bzw. Mantel bzw. Körper 73, der beiden Wärmeaustauschern gemeinsam ist, integriert werden. (Figur 5).

Der Kondensor-Wärmeaustauscher 73a besitzt mindestens zwei Abflusstrecken 74 und 75, die sich gleichlaufend zueinander erstrekken. Die stromaufwärts gerichteten Enden der Abflussleitungen 74 und 75 sind über Leitungen 76 und 77 jeweils mit dem Sammelgefäss für die gasförmige Phase und dem Sammelgefäss für die flüssige Phase des Abscheiders 69 verbunden. Das stromabwärts liegende Ende der Abflussleitung 75 ist über eine Leitung 78 mit dem Eingang einer kälteerzeugenden Entspannungswasserturbine 79 verbunden, deren Welle gegebenenfalls mit einer laufenden Maschine 80 mechanisch gekuppelt ist und die ausserhalb des Wärmeaustauschers 73a angeordnet ist. Der Ausgang der Turbine 79 ist durch eine Leitung 81 gegebenenfalls über ein zusätzliches Druckreduzierventil 82 mit einem Verteilungsorgan 83 verbunden, welcher zum Beispiel in dem Mantel 73 des Wärmeaustauschers und in der Nähe des Endes dieses Austauschers 73a, welches den stromabwärts liegenden Enden der Leitungen 74 und 75 zugewandt ist, angeordnet ist. Dieser Verteilungsorgan ist zum Beispiel ein Zerstäubungsorgan, welches in Richtung auf die Abflussleitungen 74 und 75 Strahlen sprüht und unmittelbar in den Innenraum des Mantels des Wärmeaustauschers 73a hinein spritzt. Das stromabwärts liegende Ende der Abflussleitung 74 ist über eine Leitung 84 mit einem getrennt von den Wärmeaustauschern 73 angeordneten Phasenabscheider 51' verbunden, dessen Sammelgefäss für jeweils die gasförmige Phase und die flüssige Phase über Leitungen 85 und 86 mit den stromaufwärts liegenden Enden mindestens zwei Abflussleitungen 87, 88, die sich in dem zweiten Wärmeaustauscher 73b im wesentlichen gleichlaufend zueinander erstrecken, verbunden sind. Das stromabwärts gerichtete Ende der Abflussleitung 87 steht über eine Leitung 89 mit dem schon beschriebenen äusseren Phasenabscheider 26 in Verbindung. Das stromabwärts liegende Ende der Abflussleitung 88 ist über eine Leitung 90 mit dem Eingang einer kälteerzeugenden Entspannungswasserturbine 91 verbunden, deren Welle gegebenenfalls mit einer laufenden Maschine 92 mechanisch verbunden ist und die getrennt von dem Wärmeaustauscher 73b eingebaut ist. Der Ausgang dieser Turbine 91 ist

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durch eine Leitung 93» gegebenenfalls übcr'oin'-zusöizliches Druckreduzierventil 94, mit einem Zerstäubungsorgan 95 verbunden, der zum Beispiel in dem Wärmeaustauscher 73b in der Nähe des Endes dieses Austauschers, welches den stromabwärts liegenden Enden der Abflussleitungen 87 und 88 zugewandt ist, vorgesehen ist. Dieses Zerstäubungsorgan 95 ist zum Beispiel ein Strahlenzerstäuber, der auf die Abflussleitungen 87 und 88 hin gerichtet ist und in den Innenraum des Mantels 73, welcher beiden Wärmeaustauschern 73a und 73b gemeinsam ist, mündet. Der Innenraum dieser Mantel ist daher bei den Austauschern gemeinsam. Der Austauscher 73 kann anstatt von Wickelrohren mit Platten versehen werden, und in diesem Fall können jeweils ein oder jede der Zerstäubungsorgane 83 und 95 durch mindestens eine Fliesstrecke gebildet werden, die sich im wesentlichen gleichlaufend zu den zugeordneten Leitungen 74, 75 oder 87 und 88 erstreckt.

Der gemeinsame durch den Mantel 73 begrenzte Innenraum steht an seinem den stromaufwärts liegenden Enden der Abflussleitungen 74 und 75 zugewandten Ende über eine Leitung 96 mit der Ansaugöffnung des zweiten Verdichters 12a₂ in Verbindung. Die Leitung 25, welche von dem stromabwärts liegenden Ende des Wickelrohres 29 des Wärmeaustauschers 27 ausgeht, mündet in die Ansaugöffnung des ersten Verdichters 12a.. ein, dessen Ablauf- bzw. VerdrängungsÖffnung mit Hilfe einer Leitung 97 und über einen zwischengeschalteten Kühler 98, zum Beispiel einen Kühler mit einem äusseren, zum Beispiel aus Wasser oder Luft bestehenden Kühlmedium, ebenfalls mit der Ansaugöffnung des zweiten Verdichters 12a₂ verbunden ist. Der Ausgang des Kühlers ist in dem Anschlusspunkt 99 an die Leitung 96 angeschlossen.

Die Arbeitsweise des Kreislaufes 1 für das zu verflüssigende Gas ist ähnlich wie diejenige der Ausführungsform der Figur 3, nur unterscheiden sich die unten beispielsweise angeführten Werten für die Temperatur und den Druck :

- Am Einlauf in die Leitung 4 besitzt das zu verflüssigende Gas GN eine Temperatur von etwa +20⁰C und einen Druck von etwa 45 Bar ;

- Am Einlauf in den Wärmeaustauscher 3 liegt die Temperatur dieses Gases etwa bei -60⁰C und sein Druck beträgt 44 Bar ;

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- Am Ausgang des Wärmeaustauschers 3 weist das untergekühlte verflüssigte Gas eine Temperatur von etwa -16O°C und einen Druck von 41 Bar auf.

Die kennzeichnenden Merkmale der Arbeitsweise dieses Kiihlmediumkreislaufes 2 sind die folgenden :

Das gesamte gasförmige Kühlmedium wird durch den zweiten Verdichter 12a~ angesaugt, um im gasförmigen Zustand komprimiert zu werden, und dann wird es in dem Kondensor 64 "bei einer Temperatur von etwa +30⁰C und einem Druck von 20 Bar teilweise verflüssigt. Dieses teilweise verflüssigte Medium wird dann in dem Phasenabscheider 65 einer Phasenabscheidung ausgesetzt» Die gasförmige Phase wird durch den dritten Verdichter 12b angesaugt und im gasförmigen Zustand komprimiert, während die flüssige Phase im flüssigen Zustand durch die Pumpe 71 angesaugt und komprimiert wird. Die Pumpe 71 fördert diese Phase, bis sie in 72 die komprimierte, durch den Verdichter 12b verdrängte gasförmige Phase trifft. Dieses aus der flüssigen und der gasförmigen Phase bestehende Gemisch strömt dann durch den Kondensor 68, erfährt dort zum Beispiel bei einer Temperatur von etwa +30⁰C und einem Druck von 35 Bar eine zusätzliche Teilverflüssigung und wird anschliessend in dem Abscheider 69 einer erneuten Phasenabscheidung ausgesetzt«, Die abgeschiedene flüssige Phase strömt durch die Abflussleitung 75 des ersten Wärmeaustauschers 73a und wird durch Wärmeaustausch mit einem verdampften Anteil von ihm selbst untergekühlt, während die gasförmige Phase durch die Ablaufleitung 74 desselben Wärmeaustauschers strömt und durch Wärmeaustausch mit dem gleichen verdampften Anteil bis zur Teilverflüssigung abgekühlt wird. Die untergekühlte flüssige Phase, die am Ausgang der Abflussleitung 75 eine Temperatur von zum Beispiel -20⁰C und einen Druck von etwa 34 Bar aufweist, wird zu der Wasserturbine 79 zugeleitet, dort entspannt und bewirkt bzw. unterhält dabei die kontinuierliche Drehbewegung der Turbine und gegebenenfalls den gleichzeitigen Antrieb der laufenden Maschine 80. Das entspannte Medium wird gegebenenfalls durch das Druckreduzierventil 82 einer zusätzlichen Entspannung ausgesetzt und gelangt dann in das Zerstäubungsorgan 83 des Wärmeaustauschers 73a, wo es weiter verdampft wird und entgegengesetzt zu der gemeinsamen Strömungsrichtung der jeweiligen Medien der Abflussleitungen 74 und 75 strömt, um durch Wärmeaustausch mit diesen Medien, die Teilver-

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flüssigung der gasförmigen Phase in der Leitung"74"und die Unterkühlung der flüssigen Phase in der Leitung 75 zu bewirken.

Die teilweise verflüssigte Fraktion, die mit einer Temperatur von etwa -15°C und einem Druck von etwa 35 Bar aus der Abflussleitung 74 ausläuft, wird in dem Abscheider 51' einer Phasenabscheidung ausgesetzt. Die anfallenden gasförmigen und flüssigen Phasen werden dann jeweils in die Abflussleitungen 87 und 88 des zweiten Wärmeaustauschers 73b eingeleitet. In der Leitung 87 wird die gasförmige Phase zum Teil verflüssigt und in der Leitung 88 wird die flüssige Phase durch Wärmeaustausch mit einem verdampften Anteil der letzteren untergekühlt. Die untergekühlte flüssige Fraktion verlässt die Leitung 88 zum Beispiel mit einer Temperatur von etwa -60⁰C und einem Druck von 33 Bar und fliesst danach durch die Wasserturbine 91, um dort entspannt zu werden und dabei die kontinuierliche Drehbewegung dieser Turbine und gegebenenfalls den gleichzeitigen Antrieb der laufenden Maschine 92 zu bewirken bzw. zu unterhalten. Die so entspannte Fraktion, deren Temperatur auf etwa -63⁰C und deren Druck auf 7,2 herabgesetzt worden sind, erfährt gegebenenfalls über das Druckreduzierventil 94 eine zusätzliche Entspannung und gelangt in das Zerstäubungsorgan 95 des Wärmeaustauschers 73b, in welchem sie weiter verdampft wird und entgegengesetzt zu der gemeinsamen Strömungsrichtung der jeweiligen durch die Leitungen 87 und 88 geförderten Medien strömt, um durch Wärmeaustausch mit diesen Medien, in der Abflussleitung 88 das flüssige Medium unterzukühlen und in der Abflussleitung 87 das gasförmige Medium teilweise zu verflüssigen. Die in dem Wärmeaustauscher 73b verdampfte Fraktion des Kühlmittels fliesst dann in den Wärmeaustauscher 73a und wird mit dem verdampften Anteil des Kühlmittels gemischt. Die verdampften Anteile des Kühlmediums, welche jeweils durch die in den Abscheidern 69 und 51' abgeschiedenen flüssigen Phasen gebildet sind und durch Wärmeaustausch mit den Abflussleitungen 7^, 75 und 87 und 88 erwärmt worden sind, verlassen insgesamt den Wärmeaustauscher 73 durch die Leitung 96 und weisen dabei eine Temperatur von etwa + 2O⁰C und einen Druck von etwa 6,8 Bar auf.

Die in der Leitung 87 teilweise verflüssigte Fraktion verlässt diese Leitung mittels der Leitung 89 mit einer Temperatur von etwa -6O⁰C und einen Druck von etwa 33 Bar und gelangt in den Pha-

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senabscheider 26, wobei ihr weiterer Verlauf den in Bezug auf Figuren 2 bis 4 erläuterten Ausführungsbeispielen entspricht, nur unterscheiden sich die unten beispielsweise angeführten Temperatur- und Druckwerte :

- Am Eingang der Turbine 19b besitzt die untergekühlte Flüssigkeit eine Temperatur von etwa -13O°C und einen Druck von 31 Bar, während am Ausgang dieser Turbine das entspannte Medium eine Temperatur von etwa -133⁰C und einen Druck von etwa 1,8 Bar aufweist ;

- Am Eingang der Turbine 19a hat das untergekühlte flüssige Medium eine Temperatur von etwa -160 ⁰C und einen Druck von etwa Bar, während am Ausgang dieser Turbine das entspannte Medium eine Temperatur von etwa -163⁰C und einen Druck von etwa 2 Bar aufweist ;

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- Das verdampfte Medium, welches durch die Öffnung Zk aus

dem Mantel des Wärmeaustauschers 3 ausläuft, besitzt eine Temperatur von etwa -65°C und einen Druck von etwa 1,5 Bar, während am Ausgang der Fliesstrecke 29 des Wärmeaustauschers 27 dieses Medium eine Temperatur von etwa +10⁰C und einen Druck von 1,3 Bar in der Leitung 25 aufweist, wobei es dann in diesem Zustand durch den ersten Verdichter 12a. wieder angesaugt und wieder komprimiert wird.

Die in dem ersten Verdichter 12a. komprimierte Fraktion des gasförmigen Kühlmediums wird durch den zwischengeschalteten Kühler 89 hindurch gefördert und weist am Ausgang dieses Kühlers im wesentlichen die gleichen Temperatur- und Druckwerte wie die durch die Leitung 96 zugeleitete Fraktion des gasförmigen Mediums auf ; dann werden beide Fraktionen am Punkt 99 miteinander vereinigt, so dass das gesamte gasförmige Kühlmedium dann durch den zweiten Verdichter 12a_g wieder angesaugt wird.

Die verschiedenen Ausführungsformen, die in Figuren 1 bis der Zeichnungen beschrieben und dargestellt sind, gehören selbstverständlich mit ihrer jeweiligen besonderen Ausbildung der vorliegenden Erfindung,

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Claims

PATENTANSP.R IJCHE

Verfahren zur Abkühlung mindestens eines Mediums auf eine niedrige Temperatur, die vorzugsweise geringer als -3O°C ist, durch Wärmeaustausch mit einem einzigen Kühlmedium oder mit einem Kühlmedium, welches ein Bestandteil einer Kühlungskaskade aus mehreren verschiedenen Medien bildet, bei welchem dieses oder jenes Kühlmedium aus einem Gemisch mehrerer unterschiedlichen Substanzen besteht, welches gemäss einem Kühlungszyklus in geschlossenem Kreislauf gefördert und aufeinander folgend folgenden Behandlungen ausgesetzt wird : mindestens einer Verdichtung im gasförmigen Zustand, mindestens einer Vorkühlung mit zumindest Teilkondensierung bei hohem Druck, mindestens einer Selbstkühlung mit gleichzeitiger Unterkühlung mindestens einer flüssigen Fraktion durch Wärmeaustausch im Gegenstrom mit dem Niederdruckdampf, welcher von. wenigstens derselben untergekühlten flüssigen Fraktion dieses Kühlmediums herrührt, mindestens einer Entspannung von mindestens der genannten Niederdruckfraktion, und mindestens einer Umsetzung des genannten Dampfes, der dann wieder komprimiert wird, dadurch gekennzeichnet , dass es darin besteht, für eine gleichwertige Menge behandelter Produkte die durch die Verdichtungsstufe aufgenommene Leistung zu verringern und dabei mindestens ein oder jeder EntspanuungsVorgang dynamisch durchzuführen, damit eine äussere mechanische Arbeit erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 bei welchem das abzukühlende Medium ein zu verflüssigendes Gas ist, welches in geschlossener Schleife in Umlauf gesetzt und dabei bei hohem Druck mindestens teilweise verflüssigt wird, wobei dessen flüssige Phase gegebenenfalls vorher untergekühlt und bei niedrigem Druck entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Entspannung dynamisch durchgeführt wird, so dass eine äussere mechanische Arbeit erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Rückgewinnung der genannten äusseren mechanischen Arbeit zur Erzeugung entweder von einer verbrauchbaren umgewandelten Energie oder von einem technisch verwendbaren Effekt.

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4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass mindestens eine oder Jede Entspannung solange durchgeführt wird, bis ein Druck erzielt wird, der wenigstens um 15 Bar geringer als der vorgenannte Hochdruck ist.
5· Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass nach jeder vorgenannten dynamischen Entspannung, die eine Antriebskraft erzeugt, eine zusätzliche passive Entspannung ohne Erzeugung einer äusseren Arbeit vorgesehen ist, um das betreffende Medium im flüssigen einzelphasigen Zustand aufrechtzuerhalten und dessen Verdampfung bei einem zu niedrigen Druck während der genannten dynamischen Entspannung zu verhindern.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass es darin besteht, die Art und/oder die Zusammensetzung von mindestens einem oder jedem Kühlmittel der Anzahl der dynamischen Entspannungen anzupassen.
7. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, bestehend aus : einerseits einem insbesondere offenen Kreislauf für das zu verflüssigende Gas, welcher mindestens die folgenden Elemente umfasst : mindestens eine Fliesstrecke für das abzukühlende Medium in mindestens einem Wärmeaustauscher, der durch das genannte Kühlmittel durchströmt ist ; mindestens ein Organ zur Entspannung der flüssigen Phase des verflüssigten Gases ; sowie andererseits aus einem geschlossenen Kreislauf für das einzelne Kühlmedium oder für ein Kühlmedium, welches ein Bestandteil einer Kühlungskaskade aus mehreren jeweils unterschiedlichen Kühlmediumkreisläufen bildet, wobei dieser Kreislauf mindestens folgende Elemente umfasst : mindestens einen Verdichter für das gasförmige Kühlmedium, mindestens einen Kühler und/oder einen Kondensor ; und mindestens den genannten Wärmeaustauscher, der wenigstens eine Abflussleitung für das zumindest teilweise verflüssigte Kühlmedium sowie mindestens eine Fliesstrecke für das verdampfte Kühlmedium enthält , die sich entgegengesetzt zu der genannten Abflussleibung erstreckt und mit ihrem stromaufwärts gerichteten Ende unter Zwischen-

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schaltung von mindestens einem Entspannungsorgan für mindestens eine Fraktion der flüssigen Phase des genannten Kühlmediums mit dem stromabwärts gerichteten Ende der genannten Abflussleitung verbunden ist, während deren stromabwärts gerichtetes Ende an die Ansaugseite des genannten Verdichters verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein oder jedes Entspannungsorgan durch mindestens eine kälteerzeugende Anzapfturbomaschine gebildet ist, welche mindestens eine Wasserturbine (7, 19, 19a, 19b, 44, 44a, 44b, 55, 79, 91) oda? eire Turbine, die mit einem praktisch nicht zusammendrückbaren Medium beschickt wird, aufweist.
8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mediümausgang von mindestens einer oder jeder Turbomaschine mit einem zusäteCl.irtenI)r^dgeduzigrvenfcil (17, 22, 22a, 22b, 50, 50a,.50b, 79, 82, 94) verbunden ist.
9. Anlage nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , dass die Welle mindestens einer oder jeder vorgenannten Turbomaschine mit mindestens einer stromerzeugenden Maschine oder Arbeitsmaschine (11, 23, 23a, 23b, 45, 45a, 45b, 56-, 80, 92) gekuppelt ist.

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