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Verfahren zur Kühlung und/oder Spalteabdichtung und
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Schmierung von Schraubenmaschinen oder sonstiger gasfördernder Verdrängermaschinen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung und/oder Spalteabdichtung und Schmierung
von Schraubenmaschinen oder sonstiger gasfördernder Verdrängermaschinen nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
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Schraubenmaschinen sind zweiwellige Rotations-Kolbenmaschinen, die
nach dem Verdrängungsprinzip arbeiten.
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Andere Verdrängermaschinen sind z.B. Hubkolbenverdichter, Kreiskolbenverdichter,
Zellenverdichter oder Rollkolbenverdichter.
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Schraubenmaschinen werden bevorzugt als Verdichter aber auch als Expander
in der Industrie eingesetzt.
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Einsatzgebiete und die Funktion der Schraubenmaschine sind z.B. bei
L. Rinder "Schraubenverdichter" und W. Pohlenz "Pumpen für vase" ausführlich beschrieben.
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Die Arbeitsräume der Schraubenmaschine werden von den Zahnlücken eines
schrägverzahnten Läuferpaares und von dem das Läuferpaar eng umschließenden Läufergehäuse
gebildet.
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Im Verdichtungsbetrieb wird das zu komprimierende Gas in den Arbeitsraum
gesaugt, durch Drehung des Läuferpaares wird der Arbeitsraum verschlossen und stetig
verkleinert. Sobald im Arbeitsraum der gewünschte Enddruck herrscht, kann der Arbeitsraum
druckseitig geöffnet und das Gas durch weitere Verkleinerung des Arbeitsraumes,
d.h. durch Drehung des Läuferpaares in die Druckleitung ausgeschoben werden.
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Der Expansionsprozeß verläuft in umgekehrter Weise.
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Ein kleiner Arbeitsraum wird druckseitig mit Gas gefüllt, durch Drehung
des Läuferpaares wird der Arbeitsraum verschlossen und stetig erweitert, wobei das
Gas expandiert und mechanische arbeit an die rotierenden Läufer abgibt.
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Nach Erreichen des Expansionsenddruckes wird das Gas bei steter Verkleinerung
des Arbeitsraumes in die Abgasleitung ausgeschoben.
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Die ersten Schraubenmaschinen waren die sogenannten Trockenläufer,
deren Läuferpaar über ein Koppelgetriebe berührungsfrei angetrieben wird. Ein Hauptproblem
dieser Schraubenmaschinen-Bauart liegt in der unvollkommenen Abdichtung der Arbeitsräume.
Um die Leckgasmengen, bezogen auf die geförderte Gasmenge in Grenzen zu halten,
müssen die extrem maßhaltigen Läufer mit geringen Spalten im Läufergehäuse und mit
hohen Umfangsgeschwindigkeiten z.B. bei der Verdichtung von Luft mit bis zu 100
m/s betrieben werden.
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Trockenlaufende Schraubenmaschinen werden heute bevorzugt dort eingesetzt,
wo die absolute Ölfreiheit des Fördergases garantiert sein muß, z.B. in der Lebensmittel
industrie, pharmazeutischen Industrie und in der Medizintechnik oder zur Förderung
von Einspritzölunverträglichen Gasen wie z.B. zur Förderung von Sauerstoff.
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Die einstufige Trockenlaufmaschine erreicht ihren optimalen Betriebspunkt
bei Druckverhältnissen zwischen 1 : 3 und 1 : 5. Mehrstufige Trockenläufer wurden
schon für Verdichtungsenddrücke bis 40 bar gebaut.
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Eine verbesserte Abdichtung der Arbeitsräume, in Verbindung mit einer
intensiven Kühlung des Gases wird dadurch erreicht, daß in die Zahnlücken während
des Verdichtungsvorgangs Öl eingespritzt wird. Bei diesen sogenannten naßlaufenden
Schraubenmaschinen kann auf das Koppelgetriebe verzichtet werden, da die Läuferflanken
mit Öl benetzt werden und daher nahezu verschleißfrei aufeinander abwälzen. Maschinen
dieser 3auart erreichen ihren optimalen Betriebspunkt bei erheblich geringeren Lduferumfangsgeschwindigkeiten
(20 - 40 m/s). Sie sind -infach im Aufbau und äußerst robust.
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Aufgrund der intensiven Innenkühlung durch das eingespritzte Öl können
mit einstufigen Naßläufern Druckverhältnisse bis 1 : 15 bei Verdichtungsendtemperaturen
von weniger als 1000 Crealisiert werden. Der optimale Betriebspunkt eines einstufigen
Naßläufers wird bei Druckverhältnissen zwischen 6 und 8 erreicht.
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Öleinspritzgekühlte Schraubenmaschinen werden vor allem in der Kältetechnik
aber auch für die Drucklufterzeugung eingesetzt, bei der ein Restölgehalt vorteilhaft
ist oder nicht stört.
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Vergleicht man den Wirkungsgrad eines Trockenläufers mit dem eines
öleingespritzten Schraubenverdichters gleicher Förderleistung und gleichen Eindruckes,
so arbeitet eine einstufige naßlaufende Schraubenmaschine mit etwa dem gleichen
Wirkungsgrad, wie eine an ihrem optimalen Betriebspunkt arbeitende 2-stufige Trockenlaufmaschine.
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Die Herstellungskosten der einstufigen naßlaufenden Schraubenmaschine
betragen dagegen weniger als 15 % der Herstellungskosten einer leistungsgleichen
zweistufigen Trockenlaufmaschine.
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Eine Verbesserung des Wirkungsgrades von einspritzgekühlten Luftverdichtern
ließe sich zu dem über eine Verringerung der Planschverluste in der Läuferverzahnung
erreichen, wozu die Schmiermitteleinspritzmenge drastisch reduziert werden müßte.
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Mit dieser Maßnahme bestünde gleichzeitig die MWglichkeit, den wirtschaftlichen
Betriebsbereich naßlaufender Schraubenmaschinen in Richtung höherer Maschinendrehzahlen
zu erweitern und damit die spezifische Förderleistung der einspritzgekühlten Maschine
zu erhöhen.
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Im Falle der Öleinspritzkühlung besteht jedoch bei Verdichtungsendtemperaturen
oberhalb 1000 Cdie Gefahr der Ölkoksbildung mit einer möglichen Selbstentzündung
des Ol-Luftgemisches, so daß aus Sicherheitsgründen eine Reduktion der Schmiermitteleinspritzmenge
nicht erlaubt ist.
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Ein besonderes Problem der Öleinspritzkühlung entsteht durch die unvollständige
Abscheidung des eingespritzten Öles aus der Druckluft. Mittels Grob- und Feinabscheidern
läßt sich heute das eingespritzte Öl bis auf einen 3 Restölgehalt von 5 - 10 mg/m3
separieren. Nachteilig ist, daß die Luft in dieser Reinheit nicht universell nutzbar
ist und, daß bei größeren Anlagen erhebliche Ölmengen ersetzt werden müssen.
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Ausgeschlossen ist die Anwendung der Öleinspritzkühlung bei der Förderung
von Öl-unverträglichen Gasen.
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Wie einleitend schon erwähnt, eignet sich das Prinzip der Schraubenmaschine
auch für den Expansionsbetrieb, d.h. zur Krafterzeugung. In verschiedenen Industrie-und
Forschungsanlagen arbeiten heute im Leistungsbereich zwischen 30 und 300 kW sowohl
trockenlaufende als auch öleingespritzte Schraubenmaschinen mehr oder weniger zuverlässig
mit Wasserdampf oder Kältemitteln (R 114) im Expansionsbetrieb.
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Während die trockenlaufenden Maschinen aufgrund ihres geringen Wirkungsgrades
lediglich einer Prozeßdampferzeugungsanlage vorgeschaltet werden oder die Restexergie
von Abfalldampf ausnutzen, eignen sich öleingespritzte Maschinen besonders gut für
die kombinierte Intensive Krafterzeugung mit Abwärmenutzung.
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Während trockenlaufende Dampfschraubenexpander zwar mit geringem thermischen
Wirkungsgrad, aber verhältnismäßig zuverlässig bei Temperaturen bis 3500 C arbeiten,
ergeben sich beim Betrieb von öleingespritzten Dampfschraubenexpandern me -e gravierende
Probleme.
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Nicht ausreichend gelöst ist die Wasserverträglichkeit des Öles bei
Temperaturen oberhalb 200o C. Einspritzöl und Kondensat emulgieren nach mehreren
Betriebsstunden.
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Folglich versagt der Kondensat-Ölabscheider und über die Kondensatpumpe
gelangt Öl in den Speisewasserbehälter.
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Ein weiteres Problem betrifft die Ölabscheidung aus dem Maschinenabdampf.
Trotz eines hervorragenden Abscheidegrades von 99,99 % gelangen täglich mit dem
Abdampf mehrere Liter Einspritzöl in den Kondensator.
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Im Kondensator schlägt sich ein Teil des im Abdampf verbliebenen Restöles
zusammen mit Korrosionsprodukten des Rohrleitungssystems auf den Kühlrohren nieder.
Der zunehmende Wärmeleitwiderstand infolge anwachsender Beschichtung beeinträchtigt
erheblich die Abdampfverflüssigung. Pas überschüssige Öl tropft von den Kühlrohren
und sammelt sich im Kondensator-Hotwell und im Speisewasserbehälter. Damit ist die
Ölkontamination des gesamten Dampfkreislaufes nicht mehr auszuschließen.
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Gelangt Einspritzöl aus dem Speisewasserbehälter in den Dampferzeuger,
so wird auch hier der Wärmeübergang beeinträchtigt, das Öl zersetzt sich und es
kommt zur Verstopfung der Kreislauffilter.
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Während bei der trockenlaufenden Dampfschraubenmaschine der Dampfkreislauf
verhältnismäßig einfach und kompakt aufgebaut werden kann, ist die öleingespritzte
Dampfschraubenmaschine auf ein funktionstüchtiges, sehr aufwendiges Ölabscheidesystem
mit häufigem Ölwechsel und Kreislaufreinigung angewiesen.
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Der Oampfkreislauf für die öleingespritzte Schraubenmaschine benötigt
wegen des Ölabscheidesystems (Abdampf-, Kondensat- und Speisewasserölabscheidung)
einen etwa um 40 % größeren Stellraum und eine wesentlich aufwendigere Betriebsüberwachungseinrichtung.
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Die Vorteile der Flüssigmetall-Einspritzung nach den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs für den Schraubenverdichter sind folgende: - Das Fördermedium
bleibt wie bisher bei den trockenlaufenden Maschinen ölfrei.
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- Das eingespritzte Flüssigmetall läßt sich mit einfachen Mitteln
vollständig vom Fördermedium separieren.
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- )as Einspritzmedium verbraucht sich nicht und ist wiederverwendbar.
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Für die einzelnen Verdichter-Bauarten ergeben sich darüber hinaus
weitere bauartspezifische Vorteile. Für den bisher als Trockenläufer betriebenen
Schraubenverdichter mit Koppelgetriebe ergeben sich folgende Vorteile: - Das Fördergas-Druckverhältnis
kann von bisher max. 1 : 5 auf Werte von bis zu 1 : 15 angehoben werden. Das bedeutet
bei gleichbleibender Förderleistung und erhöhtem Verdichtungsdruck eine sinkende
Stufenzahl.
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- Ebenso sinkt der spezifische Kraftbedarf aufgrund des sich verbessernden
Maschinenwirkungsgrades.
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Für den bisher öleinspritzgekühlten Schraubenverdichter sind die Vorteile
wesentlich deutlicher.
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- Die Verdichtungstemperatur kann bei Luft von bisher 1000 C auf 2500
C - 3000 Angehoben werden.
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- Hieraus und aus der höheren spezifischen Wärme des Flüssigmetalls
pro Volumeneinheit resultiert ein wesentlich geringerer erforderlicher Flüssigmetall--Einspritzvolumenstrom.
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- Als Folge nehmen die Planschverluste in den Zahnlücken des Läuferpaares
ab, so daß sich trotz zunehmendem Polytropenexponenten der Verdichterwirkungsgrad
verbessern sollte.
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- Damit verschiebt sich der optimale Betriebsbereich des Naßläufers
zu höheren Druckverhältnissen und zu höheren Läuferumfangsgeschwindigkeiten. Die
Folge ist eine Erhöhung der spezifischen Förderleistung bei gleichbleibender Maschinen-Baugröße.
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Ölwechsel und der Ersatz des im Fördermediums verbliebenen Restöls
entfallen.
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- Das Abscheidesystem für das Flüssigmetall ist erheblich kleiner
und einfacher.
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Für den Expansionsbetrieb der Schraubenmaschinen ergeben sich neben
einer möglichen Wirkungsgradverbesserung vor allem anlagentechnische Vorteile.
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- Das gesamte Ölabscheidesystem, bestehend aus Abdampf-Ölabscheider,
Kondensat-Ölabscheider und Speisewasser-Ölabscheider entfällt.
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- Damit entfällt der vom Ölabscheidesystem verursachte Druckverlust
im Abdampf. Die Betriebsüberwachung im Niederdruckbereich des Kreislaufs vereinfacht
sich erheblich.
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- Der Speisewasservorratsbehälter und die Kondensatpumpe entfallen.
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- Die gesamte Speisewassermenge im Kreislauf kann für eine 100 kW
el-Anlage auf weniger als 40 Liter gesenkt werden.
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- Das einzuspritzende Flüssigmetall sammelt sich aufgrund seiner gegenüber
dem Wasser 6 mal höheren Dichte am Boden des Kondensator-Hotwells und wird von dort
direkt abgepumpt. Eine zusätzliche Flüssigmetallbevorratung mit Begleitheizung entfällt.
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- Die Schmiermittel pumpe kann nicht kavitieren und dadurch zerstört
werden.
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- Die Einspritzmengenstromüberwachung vereinfacht sich erheblich aufgrund
der elektrischen Leitfähigkeit des durchstömenden Flüssigmetalls.
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- Vermutlich wird das im Abdampf feinverteilte Flüssigmetall auch
den Wärmeübergang bei der Verflüssigung positiv beeinflussen.
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- Die häufigen Ölwechsel mit Einsatzmengen bis zu 50 ltr. entfallen.
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- Der Stellraumbedarf verringert sich nahezu auf die Hälfte.
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Gemäß den Merkmalen der Unteransprüche eignen sich als Flüssigmetalle
insbesondere eutektische Legierungen aus Gallium-Indium und Gallium-Zinn.
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Wesentlich ist dabei, daß es sich um Metalle mit vernachlässigbarem
Dampfdruck handelt, die sich gegenüber dem Fördergas beispielsweise gegenüber Luft
oder Wasserdampf inert verhalten.
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Von Gallium-Indium-Legierungen ist bekannt, daß eine Oxydationsbeständigkeit
bis 2600 C an Luft und in reiner Sauerstoffatmosphäre gegeben ist. Gegenüber Wasser
sind beide Metalle beständig, erst bei höheren Temperaturen soll Wasser zersetzt
werden, wobei atomarer Wasserstoff bereits oberhalb 1500 Cmit dem Gallium ein Hydrid
bildet. Gegenüber molekularem Wasserstoff und Stickstoff ist Gallium auch bei Temperaturen
oberhalb 4000 C beständig. Beide Metallegierungen sind nicht giftig oder brennbar,
und auch nicht aggressiv.
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Das chemische Verhalten dieser Legierungen ist z.B.
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in Gmelin, Band Gallium, behandelt.
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Der Wasser-Dampf-Kreislauf des Flüssigmetall-eingespritzten Schraubenexpanders
besteht gemäß dem in der Abb.1 dargestellten Ausführungsbeispiel aus den Hauptkomponenten:
- Speisewasserpumpe mit Filter 1 - Kondensator mit Hotwell 3 - Dampferzeuger 5 -
Regel- und Schnellschlußventil 7 - Schraubenexpander 9 - Flüssigmetallpumpe mit
Filter 10 - Künlwasserpumpe 13 - Kondensatorrückkühleinrichtung 15 und den Betriebsmitteln
- Kondensat 2 - Speisewasser 6 - Frischdampf 8 - Flüssigmetall 11 - Abdampf 12 -
Kühlwasser 14 Die Speisewasserpumpe 1 saugt das Kondensat 2 direkt aus dem Kondensator-Hotwell
3, oberhalb des Flüssigmetallspiegels 4 ab und fördert es in den Dampferzeuger 5.
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Im Dampferzeuger 5 wird das Speisewasser 6 verdampft und der Dampf
überhitzt. Über das Regel- und Schnellschlußventil 7 gelangt der Frischdampf 8 zur
Schraubenmaschine 9.
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Die Flüssigmetallpumpe 10 versorgt die Einspitzstellen der Schraubenmaschine
9 mit Flüssigmetall 11.
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Ein Teil des Flüssigmetalls 11 wird am Dampfeintrittsstutzen der Maschine
9 in den Frischdampf 8 eingespritzt. Das Gemisch 8 und 11 gelangt in die Arbeitsräume
der Maschine, wo der Dampf 8 expandiert und seine mechanische Energie an die rotierenden
Läufer abgibt und das Flüssigmetall 11 die Spalte abdichtet und die Läufer schmiert.
Über eine zweite Einspritzstelle wird Flüssigmetall 11 dem Läufergetriebe der Maschine
9 zugeführt.
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Der Aufwand für die Flüssigmetalleinspritzung entspricht in etwa dem
Aufwand für eine normale Schmiermittelversorgung bei Turbinen.
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Gemeinsam mit dem Abdampf 12 gelangt das Flüssigmetall 11 in den Kondensator
3, wo der Abdampf 12 verflüssigt wird.
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Flüssigmetall 11 und Kondensat 2 sammeln sich im Kondensator-Hotwell
3, das Flüssigmetall auf Grund seiner 6 mal höheren Dichte am Boden und das Kondensat
darüber.
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Der Kondenstor 3 wird über die Kühiwasserpumpe 13 mit Kühlwasser 14
aus der Kühlwasserrückkühleinrichtung 15 versorgt.
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Die Kreislauf-Regelung und Betriebsüberwachung ist einfach. Der Aufwand
ist am geringsten, wenn die Schraubenmaschine einen netzgeführten Asynchrongenerator
treibt. In diesem Falle kann auf eine zusätzliche Dampfspeicherung verzichtet werden.
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