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Gaskraftmaschine Unter den zur Erzeugung mechanischer Energie dienenden
Vorrichtungen stehen heute, was die volkswirtschaftliche Bedeutung anbelangt, die
Wärniekraftinaschinen an erster Stelle. Es ist daher besonders bedauerlich, (lad
gerade diese einen verhältnismäßig geringen Gesamtwirkungsgrad Nahen.
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Die Danipfkraftatilagen leiden vor allem darunter, (lad die im Kondensator
anfallende Wärme verlorengeli t.
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Die Gasmaschinen hingegen verwenden veredelte, also teure Brennstoffe,
da die Benutzung von billiger Kohle hierfür :ich nicht allgemein einführen konnte.
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Den Kolbenmaschinen haften die -Nachteile der Beschleunigungskräfte
der hin und her gehenden Klassen an. außerdem werden sie für große Leistungen zu
schwer.
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Bei den (las- und 1 ):inilifttii-liinen wird durch die unvermeidliche
Reibung des strömenden Gases an den sehr zahlreichen Schaufeln das theoretisch verfügbare
Wärmegefälle erheblich verringert.
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Beide Maschinenarten leiden aber auch besonders darunter, daß sich
mit ihnen die theoretisch erwünschten Zustandsänderungen bei weitem nicht rein verwirklichen
lassen.
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Der Zweck der hier beschriebenen Gaskraftinaschine mit Großraumgefäßen
und Sperrflüssigkeit ist es, diesbezüglich eine Verbesserung zu schalten. Sie beruht
auf folgenden grundsätzlichen Überlegungen: a1 Der Einfluß der Wandung ist thermisch
meist störend. Mit zunehmender Größe eines Gefäßes wächst dessen Oberfläche langsamer
als sein Voltiinen. Also sind große Gefäße von Vorteil.
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bi Wird Gas in Behältern mit Sperrflüssigkeiten verdichtet oder entspannt,
so läßt sich durch entsprechende Anordnung von Kühlblechen. Heizschlangen
usw.
im Gefäß leicht während der Zustandsänderung Wärme in gewünschter regelbarer Menge
zu- oder abführen.
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c) Da in solchen Gefäßen keine mechanische Reibung starrer Körper
stattfindet und auch keine Fliehkräfte wirken, ist es möglich, die gegebenenfalls
erforderliche Wärmeisolation innen statt außen anzubringen, dadurch wird der Stahlmantel
vor zu hoher Temperatur und vor Temperaturschwankungen geschützt.
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d) Die Wärme-Zu- und -Abfuhren werden am Gas, die Arbeitsabnahme aber
an der kalten Flüssigkeit vorgenommen. Letzteres ist besonders vorteilhaft, weil
ja bekanntlich Wirkungsgrade von Pumpen und Wasserturbinen erheblich höher liegen
als die von Kompressoren und Gasturbinen.
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e) Da der thermodynamische Kreisprozeß nicht durch den Kreislauf,
sondern durch die pendelnde Bewegung eines Gases vorgenommen wird, so lassen sich
als Wärmeaustauscher Regeneratoren statt Recuperatoren verwenden, was thermisch
bedeutend günstiger ist.
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f) Die Gefäße lassen sich leicht in entsprechende Druckstufen unterteilen
und bestehen aus billigem Kesselblech statt aus Maschinenbaustahl. Dadurch werden
die Gestehungskosten niedrig.
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g) Durch die Möglichkeit, die Gefäße nach Art und Größe auszuwählen,
ist es ;möglich, die thermodynamischen Kreisprozesse verhältnismäßig langsam und
genau durchzuführen, was besonders bei großen Leistungen ins Gewicht fällt.
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h) Statt eine bestimmte Gasmenge zwecks einer Zustandsänderung in
ihrer Gesamtheit abzukühlen oder zu erwärmen, kann das gleiche Ziel auch dadurch
erreicht werden, daß ein Teil dieser Gasmenge ständig auf minimaler konstanter Temperatur,
der andere Teil auf maximaler konstanter Temperatur gehalten wird, wenn man nur
das Mengenverhältnis, das dieser oder jener Temperatur ausgesetzt ist, allmählich
ändert.
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Das hier beschriebene Arbeitsverfahren eignet sich auch für Kraftmaschinen
im weiteren Sinn, nämlich für Kältemaschinen und Wärmepumpen. Sie gestatten besonders
bei Durchführung geschlossener thermodynamischer Prozesse die Verwendung beliebiger,
also auch der billigsten Brennstoffe. Bei offenen Prozessen können damit sehr hohe
Temperaturen erreicht werden, da sich ja die Verbrennung in feuerfest ausgemäuerten
Räumen vollzieht.
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Von der Vielzahl der Anwendungsmöglichkeiten geben die Zeichnungen
einige typische Beispiele. Abb. i zeigt eine Kraftmaschine, die einen Kreisprozeß
ausführt, der aus zwei Isobaren und zwei Isochoren besteht und dennoch zum erstaunlich
hohen Wirkungsgrad von über 70°/o für die verlustlose Maschine führt. Dieser Prozeß
ist zwar thermodynamisch nicht ideal, aber technisch sehr einfach und günstig, was
schon aus der Tatsache erhellt, daß die optimale Form des P-V-Diagramms, nämlich
ein Rechteck, erreicht wird.
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Abb.2 zeigt einen Kreisprozeß, der sich zwischeig zwei Isobaren und
zwei Isothermen abspielt. Er stellt thermodynamisch ein Ideal dar, soweit sich dieses
eben innerhalb der Grenzen erzielen läßt, die uns durch die beherrschbaren Drücke
und Temperaturen gezogen sind. Die technische Anordnung ist aber weniger einfach.
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Abb. 3 zeigt einen offenen Prozeß, bestehend aus , je einer Isotherme,
Isobare, Adiabate und Isochore. Abb.4 veranschaulicht eine Wärmepumpe, bei der das
Gas adiabatisch verdichtet wird, dann isobar Wärme abgibt, dann isotherm wieder
entspannt.
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Die gleiche Apparatur stellt eine Kältemaschine dar bei Umkehrung
des Vorgangs, also erst isotherme Verdichtung, dann adiabatische Entspannung, dann
isobare Wärmeaufnahme.
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Jede Abbildung zeigt oben das vereinfachte Schaltungsschema, wobei
die Gefäße im Längsschnitt dargestellt sind. Darunter ist dann der entsprechende
Linienzug im P-V-Diagramm aufgetragen, dessen Drücke und Volumina im logarithmischen
Maßstabe eingezeichnet sind, um möglichst gerade Linien zu erhalten.
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Abbildung I Die Anlage besteht aus druckfesten Gefäßen i, 2, 3, 4,
5, 6 und io. Diese sind, soweit sie warm sind, innen durch Keramik und außen durch
Wärmeisolierstoffe isoliert.
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Das Kühlgefäß i ist mit Blechen, Rohren oder anderen Körpern großer
Oberfläche gefüllt, die gegebenenfalls noch mit einer Kühlschlange ioa verbunden
sind. Zwischen diesen kann sich der Wasserspiegel, durch die Pumpe 12 beeinflußt,
heben und senken. Durch Benetzung mit Wasser nimmt diese Gefäßfüllung schnell die
Temperatur des Wassers an. Bei Eintritt von warmem Gas in dieses Gefäß von oben
her kühlt sich das Gas ab, wobei aber die Temperatur der Bleche usw. wegen der hohen
Wärmespeicherung dieser Körper nur unwesentlich ansteigt.
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Das Heizgefäß 2 besitzt etwa die doppelte Höhe von i. Die obere Hälfte
ist mit Keramik 17 ausgefüttert, auf deren Innenseite die Heizschlangen 16 eingelassen
sind. Diese Heizschlangen werden von heißen Feuergasen oder Flüssigkeiten (z. B.
flüssigem Blei) durchströmt. Ein von außen mit einem Keramikmantel versehener Schwimmer
sorgt dafür, daß sich das heiße Gas mit der kalten Flüssigkeit darunter, von einer
kleinen Ringfläche abgesehen, nicht berühren kann. Dieser Schwimmer ist durch eine
Stange 70 mit dem Kolben 8 verbunden, der im Zylinder g beweglich ist. Durch
Gasdruck oder Flüssigkeitsdruck (z. B. von einem der Windkessel hergeleitet) unter
dem Kolben wird ein Teil des Schwimmergewichtes aufgehoben, wodurch bewirkt wird,
daß er nur wenig in die Flüssigkeit zeintaucht. Für die Stange 7a kann gegebenenfalls
dem Schwimmer Kühlflüssigkeit oder Kühlluft zugeführt werden.
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3 und 4 bilden je einen Windkessel. In ihnen ist je ein Schwimmer
vorhanden, um die Berührungsflächen zwischen Flüssigkeit und Gaspolster zu verkleinern.
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ist ein Regenerator, dessen Aufgabe es ist, Gas, das ihn von rechts nach links durchströmt,
Wärme zu entziehen und an das Gas, das ihn von links nach rechts durchzieht, Wärme
abzugeben. Er besteht aus einem innen und außen gut isolierten Gefäß, das mit Rohren,
Drähten oder anderem Material mit dazwischen frei gelassenen Kanälen für das Gas
gefült ist.
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6 bedeutet einen Ofen, dessen Heizschlangen von Feuergasen oder heißen
Flüssigkeiten, z. B. flüssigem Blei, durchströmt werden, die den durchtretenden
Gasstrom aufwärmen.
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io ist ein Wasserkühler, durch den die im Apparat pendelnde Flüssigkeit
kalt gehalten wird.
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14 stellt eine Wasserturbine dar, die auch bei Gegendruck arbeiten
kann.
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i_3 bedeutet einen Generator für elektrischen S t rom.
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13 stellt einen Antriebsmotor dar.
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12 ist eine Umwälzpumpe (z. B. Kreiselpumpe). Sie kann große Wassermengen
gegen kleine Druckunterschiede fördern, ist jedoch so gebaut, daß sie hohen Drücken
(die gleichzeitig im Saug- und Druckrohr auftreten) widerstehen kann.
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i9 und 18 sind Rückschlagventile, und zwar erlaubt i9 nur Flüssigkeitsbewegung
von unten nach oben, 18 nur solche von rechts nach links.
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i i ist ein Umschaltmechanismus, der durch Kontakt des Kolbens 8 mit
den Fühlern 21 und 2o betätigt wird und der bewirkt, daß die von der Pumpe 12 geförderte
Flüssigkeitsmenge abwechselnd das Gefäß i leert und füllt.
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Mit dieser Anlage läßt sich nun z. B. der in Abb. i unten dargestellte
Kreisprozeß durchführen. Der Windkessel 3 sei mit einem Gas (z. B. Luft, der man
den Sauerstoff entzogen hat, also Stickstoff, vorteilhafter aber mit Argon) von
ioo ata gefüllt, der Windkessel 4 mit einem Gas von 6o ata. Im Gefäß 2 befindet
sich kein Gas, der Schwimmer ist also oben. Im Gefäß i befindet sich Gas von 6o
ata, der Flüssigkeitsspiegel (z. B. Wasserspiegel) ist unten. Nun pumpt die Pumpe
12 Flüssigkeit von 2 nach i. Das Gas strömt über 5 und 6 nach 2 und erwärmt sich
bei konstantem Volumen, bis sein Druck auf ioo ata gestiegen ist (Isochore Zustandsänderung
von 3oo auf 5oo° Kelvin). Steigt der Druck über ioo ata, so öffnet sich das Rückschlagventil
i9. Da immer mehr Gas von ioo ata aus i nach 2 übertritt, sich dabei erwärmend,
so nimmt sein Volumen weiter zu (Isobare zwischen 500 und 13oo" Kelvin).
Hierbei füllt sich der Windkessel 3 immer mehr mit Wasser von ioo ata. Berührt der
Kolben 8 den Fühler 21, so wird der Flüssigkeitsstrom umgeschaltet, und Umwälzpumpe
12 saugt nunmehr Flüssigkeit aus i an und führt diese nach 2. Damit tritt das heiße
Gas über den Regenerator 5 nach i über, kühlt sich bei konstantem Volumen ab, der
Druck fällt also bis auf 6o ata (Isochore zwischen 13oo° Kelvin und 8oo° Kelvin).
Nunmehr öffnet sich das Rückschlagventi118, und die von 4 nach 2 strömende Flüssigkeit
macht in diesem Gefäß die Volumenverminderung des Gases wett (Isobare zwischen 8oo
und 3oo° Kelvin). Damit ist der Kreisprozeß beendet, und der Vorgang wiederholt
sich. Über die. Turbine 14 läuft dauernd Wasser aus Windkessel 3 nach Windkessel
.I. ein Gefälle von 4oo m W. S. ausnutzend. Die erzeugte Energie kann am Generator
15 abgenommen werden. Der Kraftbedarf des Motors 13 bleibt gering, da ja beidseitig
der Umwälzpumpe immer annähernd gleicher Druck herrscht. Abbildung 1I Die Apparatur
ist ähnlich derjenigen von Abb. i. nämlich Kühlgefäß 22, Heizgefäß 25, Regenerator
23, Ofen 24, Kühler 33, Windkessel 44 und 49 usw. Zusätzlich dazu erscheint der
Mitteldruckwindkesse145, ein automatisch gesteuertes Ventil 42, eine zweite Stufe
der Turbine 48 und die Pumpe 38 mit Motor 37. Die Pumpen 35 und 37 sind jedoch einer
Art, wie sie z. B. durch die Gattung der Zahnradpumpen gekennzeichnet ist. Diese
lassen sich nämlich bei gleichbleibender Drehzahl für beliebige Drücke (begrenzt
durch die Konstruktion) gebrauchen und nehmen nur bei höherem Druck eine entsprechende
höhere Antriebsleistung auf.
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Diese Anlage arbeitet wie folgt: Anfangs sind die Windkessel wieder
mit Druckgas versehen, und zwar Windkessel 44 mit ioo ata, Windkessel 45 mit 75
ata, Windkessel 49 mit 6o ata. Das Arbeitsgas befindet sich im Kühlgefäß 22 mit
6o ata und 3oo° Kelvin. Nun wird durch das Schaltwerk 34 die Pumpe 35 in Tätigkeit
gesetzt. Sie saugt das Wasser (oder eine andere Flüssigkeit) aus 49 an und preßt
es nach 22. Ventil 42 ist geschlossen. Das Gas verdichtet sich in 22, und zwar wegen
der Eisenbleche mit ihrer großen Oberfläche und ihrer hohen Wärmekapazität annähernd
isotherm, bis ioo ata erreicht sind. Nunmehr öffnet der Schaltapparat das Ventil
42. z. B. durch (nicht eingezeichnete) elektrische Übertragung. Sofort beginnt das
Gas isobar nach 25 überzuströmen, wobei es durch 23, 24 und 27 erwärmt wird. Es
nimmt an Volumen zu, verdrängt mehr Wasser in 25, als in 22 benötigt wird. Dieser
Wasserüberschuß strömt durch Rückschlagventil 39 in den Hochdruckwindkessel 44.
Ist alles Gas nach 25 übergetreten, so bleibt die Pumpe 35 stehen. Das Gas wurde
also einer Isobaren Zustandsänderung zwischen 3oo° Kelvin und 1300° Kelvin unterzogen.
Die Wärmezufuhr durch 27 dauert an, das Gas beginnt isotherm zu expandieren bis
auf 6o ata. Inzwischen läuft die Pumpe 37 an und preßt das Wasser auf ioo ata, erst
wenig, dann mehr und mehr Antriebsleistung aufnehmend. Ist der Druck auf 75 ata
gefallen, öffnet das Ventil 43, und das restliche Wasser aus 25 wird in den Mitteldruckwindkesse145
gepreßt. Ist der Kolben 29 am Fühler 32 angelangt, so schaltet die Pumpe 35 wieder
ein, saugt das Wasser aus 22 an und drückt es nach 25. Dadurch strömt das Gas, im
Regenerator 23 Wärme abgebend, nach 22 mit einer Isobaren Zustandsänderung wieder
zurück, und damit ist der Kreisprozeß wieder geschlossen.
Die Pumpen
benötigen weniger Leistung, als die Turbinen abgehen, und die Differenz kann z.
ß. in Form von elektrischem Strom vom Generator .I7 abgenommen werden.
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Abbildung III Die Apparatur ist die gleiche wie die von Abb. 2, jedoch
mit folgender Abänderung: Es fehlen der Ofen und die Heizschlange im Heizgefäß.
Dagegen besitzt das Heizgefäß 58 eine Brennstoffdruckleitung und eine Zerstäubungsdüse
79. I? s sind zwei Kühlgefäße q.90 und So vorhanden. Diese Apparatur wird für einen
sog. offenen Prozeß verwendet. Das Wasser pendelt wieder zwischen den Kühlgefäßen
und dem Heizgefäß und dem Niederdruck-windkessel hin und hei. Strömt es nach rechts,
so füllt sich .f90 mit Frischluft, So mit Altgasen. Strömt es nach links, so werden
die Abgase aus So in das Freie gedrückt, die Luft in 490 aber isotherm verdichtet.
Die Luft erfährt also in .49° eine annähernd isotherme Verdichtung, z. B. von i
ata auf 5o ata, strömt dann isobar wärmeaufnehmend nach 58, expandiert hier adiabatisch
und gelangt schließlich isochor wieder nach So zurück. Während die Luft isobar das
Gefäß 58 füllt, wird flüssiger Brennstoff oder Kohlenstaub durch 79 eingespritzt.
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Mit den beschriebenen Einrichtungen lassen sich auch andere Kreisprozesse
ausführen, wobei aber die Anlage diesen entsprechend etwas abgeändert werden muß
(z. B. isotherme Expansion statt adiabatischer durch Verlängerung der Einspritzdauer).
Abbildung IV Hier ist eine Gefäßablage dargestellt, wie sie für Wärmepumpen und
Kältemaschinen benutzt werden kann, die ja eigentlich die Umkehrung einer Kraftmaschine
darstellen. 8i ist ein Kühlgefäß der schon geschilderten Art, 82 ein Heizgefäß.
In 8o wird die Wärme isobar an das zu erhitzende Medium abgegeben oder aus dem zu
kühlenden Medium entzogen.
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Die Pumpe 86 (z. B. Zahnradpumpe) läuft ununterbrochen, und durch
die Schaltvorrichtung 84 und durch den Hebel 88 und die Anschlagstifte 89 und 9o
wird bewirkt, däß sie abwechselnd nach rechts und links fördert. Die Anlage arbeitet,
als Wärmepumpe z. B. wie folgt: Das gesamte Gas befindet sich in 82 mit z. B. 35
ata. Durch Füllen des Gefäßes 82 mit Wasser wird es adiabatisch verdichtet. Der
Druck steigt auf ioo ata. Nun öffnet Rückschlagventil95, das Gas gelangt nach 8o,
gibt im Gegenstrom an das zu erwärmende Wasser (der Zentralheizung) isobar Wärme
ab. entspannt sich dann in 8i isotherm und wird in kaltem Zustand durch das Rückschlagventil96
wieder nach 82 zurückgefördert. Jedesmal, wenn 1Wasser nach links gefördert wird,
ist das Ventil 9:I offen. Sobald die Pumpe nach rechts umgeschaltet wird, schließt
9q., und 93 öffnet für eine bestimmte Zeit (z. B. für 4 Sekunden). Die adiabatische
Verdichtung findet also im Gefäß 82 statt, die isohare wird erzeugt durch die Strömung
des Gases 82 über 8o nach 81, die isotherme Entspannung in 81. Da während der isothermen
Entspannung Arbeit geleistet wird, während bei der adiabatischen Verdichtung Arbeit
verbraucht wird, so muß durch den :Motor 87 nur der Unterschied beider Arbeiten
geleistet werden, wenn z. B. eine Zahnradpumpe benutzt wird, die mit entsprechenden
kraftspeichernden Schwungkreiseln versehen ist.
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Soll diese Apparatur als Kältemaschine arbeiten, so wird in 81 isotherm
verdichtet, dann in 82 adiabatisch entspannt und dann das entspannte, also kalte
Gas isobar über 8o nach 81 zurückgeführt. In diesem Falle müssen die Plätze der
Rückschlagventile mit denen der gesteuerten Ventile vertauscht werden. In diesem
Falle muß auch noch in die Leitung zwischen 94 und 96 ein genügend großer Behälter
eingeschaltet «erden, der das verdichtete Gas ohne nennenswerte Druckschwankung
zu speichern vermag.
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Die hier geschilderten Apparaturen sind nur als Beispiel der Arbeitsweise
aufzufassen. Es bleibt dabei grundsätzlich belanglos, a) ob nur eine Gefäßreihe
verwendet wird (wie beschrieben) oder mehrere, die dann entweder gleichartig oder
mit Phasenverschiebung arbeiten können, b) ob als Flüssigkeit Wasser, Woodmetall,
öl oder eine andere Flüssigkeit verwendet wird, c) welcher Art die verwendeten Pumpen
sind, d) welches hüllmaterial Kühlgefäß und Regenerator besitzen und wie die Heizgefäße
isoliert sind, e) wie die selbsttätige Umschaltung erfolgt, ob mechanisch, hydraulisch,
durch Druckluft, elektrisch oder auf eine andere Art, f) ob die Kreisprozesse nur
annähernd oder genau der Theorie entsprechend durchgeführt werden, g) welcher Art
die verwendeten Turbinen sind, welches Gefälle gewählt wird und wie der Antrieb
der Pumpen erfolgt, h) wie groß die Gefäße sind und wie viele, insbesondere ob bei
größeren Druckunterschieden solche mit Druckdifferenzen verwendet werden.