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Verfahren zur Leistungsregelung von Wärmekraftanlagen und Einrichtung
zur Ausführung dieses Verfahrens
| Die Erfiii<lung betrifft ein Verfahren zur |
| [,eistungsre`olurig von Wärmekraftanlagen, in |
| denen min(lesten: der @"ri#l.iere Teil eines gasför- |
| rnigen .\rl)eitsrnittc#ls, vorzugsweise Luft, einen |
| l@reislauf beschreibt und ferner hei einerLeistungs- |
| steigerung (lei- 1)rticl<hegel im Kreislauf durch
Ein- |
| lassen von :\rl)eitsinittel aus einem Speicher |
| !iüheren Druckes in den Kreislauf erhöht, hei einer |
| I,eisttingsal)nalirne dagegen durch Entnahme von |
| .\i"beitsmlttel aus dem Kreislauf gesenkt wird. Die |
| 1#:rfindung betrifft ferner eine Einrichtung zur Aus- |
| führung diese; Verfahrens. |
| 1)ie `:utzleistun@.;sal>gabe von Anlagen der er- |
| wäIinten :1rt l:i.ßt :ich bekanntlich durch Heben |
| mler Senken dos Druckpegels im Kreislauf, ferner |
| durch entsprechende Drosselung des Arbeitsmittels |
| im Kreislauf oder auch durch entsprechende Ver- |
| ,inderting eines zwei Stellen verschiedenen Druckes |
| (los Kreislaufes verbindenden Kurzschlußstromes |
| regeln. Zur Hebung des Druckpegels im Kreislauf |
| wird zweckmäßig =Arbeitsmittel aus einem Speicher |
| höheren Druckes in den Kreislauf eingelassen, |
| wobei, tim eine rasche Steigerung der Leistungs- |
| abgabe der Anlage zu erzielen, die einzulassende |
| Arheitsmittelmenge vorteilhafterwei,se an einer |
| Stelle möglichst hohen Druckes des Kreislaufes |
| letzterem zugeführt wird. Bei einer Senkung der |
| von der Anlage zu erzeugenden Nutzleistung wird |
| dagegen eine Druckpegelsenkung durch Auslassen |
| von Arbeitsmittel aus dem Kreislauf in die At- |
| niospIi:i,re bzw. in einen Speicher niederen Druckes |
| bewirkt. Zur :Rufladung des Speichers höheren |
Druckes, der bei Belastungssteigerung die dem Kreislauf zuzuführende
Arbeitsmittelmenge abzugeben hat, wird, falls als Arbeitsmittel Luft verwendet wird,
die benötigte Aufladeluft der Atmosphäre oder dem Speicher niederen Druckes entnommen
.und unter entsprechender Verdichtung in den Speicher höheren Druckes gefördert.
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Zweck der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Einrichtung zu dessen
Ausführung zu schaffen, welche eine Entnahme von Arbeitsmittel aus dem Kreislauf
bei möglichst kleinen Energieverlusten ermöglichen. Zu diesem Behufe wird gemäß
der Erfindung bei einem .gegenüber dem augenblicklichen Nutzleistungsbedarf zu hohen
Druckpegel im Kreislauf Arbeitsmittel an einer Stelle möglichst hohen Druckes dem
Kreislauf entnommen und unter Verdichtung in den Speicher höheren Druckes gefördert.
Falls in diesem Speicher höheren Druckes der darin herrschende Druck nicht ausreicht,
um den Kreislauf für die abzugebende Höchstleistung aufladen zu können, .so kann
an der erwähnten Stelle möglichst hohen Druckes des Kreislaufes dem letztern so
lange Arbeitsmittel entnommen und unter Verdichtung dem genannten Speicher zugeführt
werden, bis in diesem der erforderliche Druck erreicht ist. Dabei kann dann das
dem Kreislauf entnommene Arbeitsmittel durch Zufuhr von Arbeitsmittel von außen
an eine Stelle möglichst niedrigeren Druckes des Kreislaufes ersetzt werden. Die
Einrichtung zur Ausführung <los Verfahrens nach der Erfindung weist einen vom
Druck im Kreislauf und von der Drehzahl der Anlage beeinflußten Hilfsverdichter
auf, der das Arbeitsmittel aus dem Kreislauf in den Speicher höheren Druckes fördert.
Dieser Hilfsverdichter kann auch das Arbeitsmittel fördern, welches gebraucht wird,
um im Speicher höheren Druckes den erforderlichen Druck aufrechtzuerhalten.
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In den Zeichnungen sind drei beispielsweise Ausführungsformen von
Anlagen zur Ausführung des neuen Verfahrens in vereinfachter Darstellungsweise veranschaulicht,
und zwar zeigt Fig. i eine Anlage, in welcher sich die Nutzleistungserzeugung einmal
durch Änderung des Druckpegels im Arbeitsmittelkreislauf und sodann auch mit Hilfe
eines zwei Stellen verschiedenen Druckes dieses Kreislaufes verbindenden Kurzschlußstromes
regeln läßt, und Fig. 2 eine Anlage, in welcher ein Zusatzverdichter Luft aus der
Atmosphäre nach einer Stelle niederen Druckes des Arbeitsmittelkreislaufes der Anlage
fördert, Fig. 13 eine Abänderung einer Einzelheit.
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In der in der Fig. i gezeigten Anlage durchströmt das Arbeitsmittel
einen Verdichter i, eine Leitung 2, ferner einen Wärmeaustauscher 3, eine Leitung
4, einen Erhitzer 5, in welchem dem Arbeitsmittel von außen her Wärme zugeführt
wird, eine Leitung 6, eine die erforderliche Leistung erzeugende Turbine 7, eine
Leitung 8, zum zweiten Mal den Wärmeaustauscher 3, dann eine Leitung 9 und einen
Vorkühler io, um hierauf wieder in den Verdichter i zu gelangen. Die von der auch
den Verdichter i antreibenden Turbine 7 erzeugte Nutzleistung wird an einen Generator(i
i abgegeben. Ein Ventil 12 beherrscht den Übertritt von Arbeitsmittel aus einem
Speicher :i3 höheren Druckes durch Leitungen 14 und 15 in die dem Kreislauf des
Arbeitsmittels der Anlage angehörende Leitung 2. Ein Ventil 16 beherrscht dagegen
einen von einer Stelle höheren Druckes des Kreislaufes (Leitung 2) zu einer Stelle
niedrigeren Druckes des Kreislaufes (Leitung 9) durch Leitungen 15 und 17 gehenden
Kurzschlußstrom. 18 bezeichnet einen Hilfsverdichter, der Arbeitsmittel aus der
mit dem Hochdruckteil des Kreislaufes der Anlage in Verbindung stehenden Leitung
15 ansaugen und in den Speicher 13 höheren Druckes fördern kann, wobei eine Rückschlagklappe
i9 ein Zurückströmen von Arbeitsmittel aus dem Speicher 13 in den Hilfsverdichter
18 verhindert. Letzterer wird durch einen Elektromotor @.igt angetrieben, der den
Betriebsstrom über einen Schalter 2o erhält, der von einem Relais 2i mit Spule 22,
Teller 23 und Kontakten 24 und 25 betätigt wird. Der Steuerstrom für das Relais
21 wird durch Kontaktfedern 26, 27 und 28 beherrscht, deren gegenseitige Lage wiederum
durch die Stellung eines Servomotorkolbens 29 -bzw. einer mit diesem ein Stück bildenden
Stange 3o bestimmt wird. Der Servomotor 29 dient gleichzeitig zur Betätigung der
Ventile 12 und 16, indem er mit einem Balken 31 verbunden ist, der um einen Punkt
32 drehbar ist und zwei Nocken 33, 34 trägt. Dem Nocken 33 ist ein Stellring 35
der Stange des Ventils 12 und dem Nocken 34 ein Stellring 36 der Stange des Ventils
116 zugeordnet. Der Nocken 33 kann beim Anschlagen gegen den Stellring 35 das Ventil
12 entgegen der Wirkung einer Feder 37 und der Nocken 34 beim Anschlagen gegen den
Stellring 36 das Ventil 16 entgegen der Wirkung einer Feder 38 anheben. Der Servomotorkolhen
29 wird durch Drucköl in Bewegung gesetzt, dessen Zufluß durch eine Leitung 39 erfolgt,
wobei der Übertritt in die Räume zu beiden Seiten des Kolbens 29 von einem Steuerschieber
40 beherrscht wird. Letzterer wird gleichzeitig sowohl von der Stellung eines Fliehkraftpendels41,
welches den .Maschinen 7, i zugeordnet ist, als auch vom Druck in der dem Kreislauf
des Arbeitsmittels angehörenden Leitung 6 beeinflußt. Dieser Druck wirkt nämlich
auf einen Meßkolben 43 ein, der durch eine Stange 44 mit einem Balken 46 verbunden
ist, mit dem über eine Stange 42 auch das Fliehkraftpendel in Wirkungsverbindung
steht, 47 bezeichnet eine Lasche, welche sowohl an den Balken 46 als auch an einen
Balken 48 angelenkt ist; letzterer steht noch mit dem Steuerschieber 4o und durch
eine Stange 49 mit dem (Kolben 29 in Verbindung.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist folgende: Bei
einer Laststeigerung des Generators i i sinkt die Drehzahl der Anlage, so daß das
Fliehkraftpendel 41 die Stange 42 nach abwärts bewegt, wobei auch der Steuerschieber
40 in entsprechendem Sinne bewegt wird, so daß nun Drucköl auf die Unterseite des
Kolbens 29 gelangen
kann, der sich infolgedessen anhebt. Das Ventil
12 wird angehoben, so daß Arbeitsmittel aus dem Speicher 13 höheren Druckes durch
die Leitungen t4 und t; in den Kreislauf überströmt, was zur Folge hat. daß sich
der Druckpegel im Kreislauf lebt und zusammenhängend damit die abgegebene Nutzleistung
steigt. Der Steuerschieber 4o wird durch den steigenden Druck in der Leitung 6 des
Kreislaufes rückgeführt, indem der Meßkolhen 43 nach unten und dadurch der Balken
46 im Uhrzeigerdrehsinn um den Angriffspunkt der Stange 42 an diesem Malken geschwenkt
wird. Es stellt sich somit ein neuer Gleichgewichtszustand ein, mit einer der li('ilieren
Last entsprechenden tieferen Drehzahl.
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Mine Belastungssenkung des Generators Q11 und damit ein Steigen der
Drehzahl der )Maschinen 7, 1 hat dagegen eine umgekehrte Bewegung, der Steuergestänge
zur Folge, so daß der Servomotorkolben 29 sich nach unten bewegt. Das untere Ende
der Kolllenstange 3o drückt nach Zurücklegung eines «'eges von wählbarer Größe die
Kontaktfeder 26 gegen die Kontaktfeder 27, wobei zunächst noch keine Wirkung ausgelöst
wird, und dann nach Zuriicklegun< eine; weiteren \\'eges die Feder 27 gegen die
Kontaktfeder 28, wobei ein Stromkreis vom -Netz N durch die Federn 26, 28
und Spule 22 geschlossen wird. Das hat ein Anziehen des Relais 21 und ein Schließen
des Schalters 20 zur Folge, so claß der Hilfsverdichter 18 in Betrieb gesetzt wird
und Arbeitsmittel durch Leitung 15 ans dein Kreislauf entnommen und in den Speicher
13 hö llereit Druckes gefördert wird. Der Druckpegel ini l,#reislauf @,#-ird infolgedessen
gesenkt, so (la(.l auch die in Gier Anlage erzeugte Leistung sinkt. Der sinkende
Druck in der Leitung 6 hat eine Bewegung des Druckmeßkolbens 43 nach oben und damit
eine Rückführung der Steuerung zur Folge.
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Bei der Rückwärts-, also Aufwärtsbewegung der Stange 30 wird die Stromzufuhr
zu dem den Eilfsverdichter 18 antreibenden Motor 191 wieder unterbrochen, (lies
jedoch in bekannter Weise erst, nachdem die Kontaktfeder 26 auch die Kontaktfeder
27 nicht mehr berührt, da vorher das angezogeile Relais 21 durch den Teller 23 den
Stromkreis durch die Spule 22 über die Kontakte 24, 25 noch geschlossen halt. Verläßt
dagegen Feder 26 die Feder 27, so ist auch dieser Stromkreis unterbrochen, wobei
das Relais 21 zurückgeht und den Schalter 20 öffnet.
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Da ein in mäßigen Ausmaßen gestalteter Hilfsverdichter 18 raschen
Belastungsschwankungen der Anlage nicht gewachsen wäre, ist zur raschen Leistungsanpassung
noch das einen Kurzschlußstrom des Kreislaufes beherrschende Ventil 16 vorgesehen.
Bei einer Entlastung des Generators 11, wobei sich, wie oben beschrieben, der Servomotorkolben
29 und die Stange 3o nach unten bewegen, wird neben der Betätigung der Kontaktfedern
26, 27, 28 durch den Balken 31 und den Nocken 34 noch ein Anheben des Ventils 16
bewirkt, so daß ein Kurzschlußstrom von Arbeitsmittel durch die Leitungen 15 und
17 freigegeben wird und so eine Verminderung der Nutzleistung der Anlage bewirkt
wird. Diese Kurzschlußströmung dauert so lange an, bis der Hilfsverdichter 18 eine
so große Arbeitsmittelmenge aus dem Kreislauf entnommen hat, daß die dem verminderten
Nutzleistungsbedarf entsprechende Druckpegelsenkung im Kreislauf sich eingestellt
hat. Es besteht im übrigen die Möglichkeit, durch entsprechende Spiele zwischen
Stange 30 und den Kontaktfedern 26, 27, 28 bzw. zwischen Nocken 34 und Stellring
36 zu erreichen, daß der Hilfsverdichter 18 und das Ventil 16 in bestimmter zeitlicher
Aufeinanderfolge betätigt werden.
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Durch die Anordnung des Hilfsverdichters 18 zwischen einer Stelle
möglichst hohen Druckes des Kreislaufes und dem Speicher 13 höheren Druckes wird
erreicht, daß aus dem Kreislauf zu entnehmendes Arbeitsmittel unter kleinstem Aufwand
an Verdichterleistung in den Speicher 13 zurückgelangt. Auch wenn man berücksichtigt,
daß Teile des geförderten Arbeitsmittels aus dem Niederdruckteil des Kreislaufes
stammen und daher vorerst noch durch den Hauptverdichter i1 verdichtet werden müssen,
bevor sie aus der Leitung 1 5 vom Hilfsverdichter 18 angesaugt werden, so ergeben
sich bei der beschriebenen Anordnung des Hilfsverdichters 18 gleichwohl geringste
Energieverluste, da der Hauptverdichter 1 diese Teilverdichtung stets mit besserem
Wirkungsgrad besorgen wird als ein nur für die Förderung einer verhältnismäßig geringen
Arbeitsmittelmenge ausgelegter Hilfsverdichter. Außerdem wird der so angeordnete
Hilfsverdichter 18 infolge kleinsten zu überwindenden Druckverhältnisses mit kleinster
Stufenzahl und so auch mit geringstem Baustoffaufwand hergestellt werden können.
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Was die Verluste an Arbeitsmittel anbetrifft, welche im Kreislauf
und in den mit demselben in Verbindung stehenden Leitungen und Regelorganen durch
Undichtheit auftreten können, so läßt sich durch Vorsehen einer von Hand oder selbsttätig
zu regelnden Hilfseinrichtung erreichen, daß der Speicher 13 höheren Druckes ohne
unmittelbare Förderung aus der Atmosphäre aufgeladen und auch im Falle auftretender
Undichtheitsverluste in ständiger Betriebsbereitschaft gehalten wird.
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Fig.2 zeigt eine Anlage, in welcher zwecks rascher Senkung der Nutzleistung
an Stelle der Regelung eines Kurzschlußstromes von Arbeitsmittel ein Drosselorgan
betätigt wird, das sich grundsätzlich an irgendeiner Stelle des Kreislaufes anordnen
lä,ßt. Die Regelorgane zur Betätigung des Ventils, welches Arbeitsmittel aus dem
Behälter höheren Druckes in den Kreislauf überströmen läßt, und zur Inbetriebsetzung
des Hilfsverdichters 18 sind bei dieser Einrichtung weitgehend gleich ausgebildet
wie in der Einrichtung nach Fig. 1, weshalb sie in Fig.2 mit den gleichen Bezugszahlen
wie in Fig. 1 belegt sind. An Stelle eines Ventils betätigt dagegen der -Nocken
34 der Einrichtung nach Fig.2 gegen den Druck einer Feder So eine Stange 51, die
mit einer Drosselklappe 52 verbunden ist, welche in der dem
Kreislauf
des Arbeitsmittels angehörenden Leitung .4 angeordnet ist und beim Heben der Stange
51 iri schließendem Sinne bewegt wird.
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Der Speicher 13 höheren Druckes hat, wie bereits oben angedeutet,
der Bedingung zu genügen, daß er ständig so viel Arbeitsmittel enthält, als nötig
ist, um den Kreislauf bis zu der abzugebenden höchsten Leistung aufzuladen. Die
Summe des Arbeitsmittelinhaltes von Kreislauf und Speicher muß daher stets einen
gewissen Mindestbetrag darstellen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß in der
in Fig. 2 gezeigten Weise noch ein Zusatzverdichter 53 vorgesehen ist, falls als
Arbeitsmittel Luft verwendet wird. Dieser Zusatzverdichter 53 saugt durch eine Leitung
54 Luft aus der Atmosphäre an und fördert sie durch Leitung 55 mit Rückschlagklappe
56 hindurch an der Stelle 57 in den Arbeitsmittelkreislauf. Der Zusatzverdichter
53 wird von einem Elektromotor 58 angetrieben. Ist der Speicher 13 höheren Druckes
nicht hinreichend aufgeladen, so kann ein die Stromzuführung zum Motor 58 beherrschender
Schalter 59 von Hand geschlossen werden, so daß dann der Zusatzverdichter 53 Arbeitsmittel
in den Kreislauf fördert, in welchem nun der Druck steigt. Der mit Leitung 6 des
Kreislaufes verbundene Druckmeßkolben 43 wird daher nach abwärts bewegt, was ein
Anheben des Steuerschiebers 40 bedingt, so claß der Servomotorkolben 29 mit Stange
3o durch Oldruck nach unten bewegt wird und dadurch in bereits beschriebener Weise
der Hilfsverdichter @18 in Betrieb gesetzt wird, der nun so lange arbeitet, bis
die an der Stelle 5'7 dem ;Kreislauf zugeführte Arbeitsmittelmenge, vermindert um
allfällige Undichtheitsverluste im Kreislauf selbst, den Druck im Speicher 13 auf
die erforderliche Höhe gebracht hat.
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Falls die Einrichtung nicht an einem Netz arbeitet, in dem die Frequenz
durch parallel geschalteteMaschinen festgehalten wird, so wird eine aus der Arbeitsmittelz-ufuhr
von außen sich ergebende Erhöhung des Druckpegels in der Anlage eine Leistungssteigerung
und somit auch eine Drehzahlerhöhung zur Folge haben, weshalb sich auch Stange 42
hebt, was, wie man leicht feststellt, letztlich ebenfalls zu einer Inbetriebsetzung
des Hilfsverdichters 18 führt.
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Das vom Zusatzverdichter 53 geförderte Arbeitsmittel wird, wie gezeigt,
zweckmäßig an einer Stelle möglichst niedrigen Druckes des Kreislaufes in diesen
eingeführt, um einen möglichst großen Teil der Verdichtung dem Hauptverdichter t
zuzuweisen und so mit möglichst geringen Ausmaßen für diesen Zusatzverdichter auszukommen.
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In Fig.2 ist im weiteren eine Einrichtung zur selbsttätigen Regelung
der Fördermenge des Zusatzverdichters 53 dargestellt, welche es ermöglicht, die
Drehzahl dieses Verdichters in Abhängigkeit vom Druck an einer Stelle des Kreislaufes
und vom Druck im Speicher 13 zu regeln, d. h. von Drücken, die im wesentlichen den
entsprechenden Arbeitsmittelinhalten unmittelbar verhältnisgleich sind. Diese Einrichtung
weist einen Kolben 6o auf. Der Raum über diesem Kolben steht durch eine Leitung
61 mit einer Stelle 62 des Arbeitsmittelkreislaufes in @-erltindung, während der
Raum über einem Kolben 63 durch eine Leitung 64 an den Speicher 13 angeschlossen
ist. Den Kolben 6o und 63 zugeordnete Stangen 65 bzw. 66 sind mit einem Balken 67
gelenkig verbunden, an den bei 68 auch noch ein Drosselkegel 69 an:gelenkt ist.
Letzterer beherrscht den Abfluß von durch eine DI"Osselstelle 70 in eine
Kammer 71 gelangendem Drucköl. Der Druck in der Kammer 71 pflanzt sich durch eine
Leitung 72 auf die Oberseite eines Kolbens 73 fort, wobei ihm durch eine ebenfalls
auf diesen Kolben 73 wirkende Feder 74 Gleichgewicht gehalten wird. Die Bewegungen
des Kolbens 73 werden auf ein als Regulierwiderstand 75 ausgebildetes Mittel zur
Drehzahländerung des Zusatzverdichters 53 übertragen, wobei dieser Widerstand 75
den Rotorstrom des Elektromotors 58 beeinflußt.
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Findet nun ein Regelvorgang statt, bei dem kein Undichtheitsverlust
oder zumindest keine Änderung des Undichtheitsverlustes auftritt, also beispielsweise
nur ein Übergang von Arbeitsmittel aus dein Speicher 13 in den Kreislauf oder umgekehrt,
so wird sich der eine der beiden Drücke über den Kolben 6o und 63 heben, der andere
senken, und es werden sich entsprechende Verschiebungen der beiden Kolben ergeben.
Bei geeigneter Lage des Gelenkpunktes 68 wird sich dieser in einem solchen Falle
nicht verschieben.
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Erhöhung der Undichtheitsverluste in der Einrichtung oder im Speicher
hat dagegen ein Sinken des entsprechenden Druckes und daher ein Anheben des einen
der beiden Kolben 6o und 63 zur Folge, ohne daß sich der andere in entsprechendem
Maße senken würde. Der Gelenkpunkt 68 wird daher angehoben, und der Drosselkegel
6c) gibt nun dem 01 einen größeren Abflußquerschnitt frei, so daß der Druck in der
Kammer 71 und damit auch über dem Kolben 73 sinkt. Dieser wird daher durch die Feder
74 nach oben bewegt und beeinflußt das Drehzahlregelorgan 75 in der Weise, daß die
Drehzahl des Zusatzverdichters 53 steigt und somit die von ihm dein Kreislauf zugeführte
Arbeitsmittelmenge erhöht wird.
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Im übrigen besteht noch die Möglichkeit, statt elektrischer Energie
zum Antrieb des Hilfsverdichters 18 zu verwenden, einen durch gasförmiges oder flüssiges
Arbeitsmittel betriebenen Motor für den Antrieb dieses Verdichters vorzusehen. Es
kann auch unmittelbar im Kreislauf verdichtetes Arbeitsmittel, das nach Entspannung
zweckmäßig dem Kreislauf an einer Stelle niedrigeren Druckes wieder zugeführt wird,
zum Antrieb des Hilfsverdichters verwendet werden. Insbesondere kann der vom Ventil
16 in Fig. 1 beherrschte Kurzschlußstrom hierzu verwendet werden. Eine solche Ausführutig
ist in Fig. 3 gezeigt, in welcher 13 wiederum den Speicher höheren Druckes, 15 und
17 die Leitungen für einen Kurzschlußstrom, 1,6 das diesen Strom beherrschende Ventil
und 18 den Hilfsverdichter bezeichnet. Die Leittrug 17 ist bei
dieser
.\usführungsforin an den Eintrittsstutzen einer Hilfsluftturbine 76 angeschlossen,
welche den Hilfsverdichter 18 antreibt. Die aus der Hilfsturbine 76 ausströmende,
entspannte Luft gelangt durch eine Leitung 7 7 in die Leitung 9 des Hauptkreislaufes
des Arbeitsmittels der Anlage; diese Leitung 9 bildet bekanntlich eine Stelle niedri",c!i
Druckes des Kreislaufes.