WO2014191157A2 - Wärmepumpe mit einer in einem kreislauf geschalteten ersten thermischen fluidenergie-maschine und zweiten thermischen fluidenergie-maschine - Google Patents

Wärmepumpe mit einer in einem kreislauf geschalteten ersten thermischen fluidenergie-maschine und zweiten thermischen fluidenergie-maschine Download PDF

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WO2014191157A2
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Henrik Stiesdal
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F25B2400/07—Details of compressors or related parts
    • F25B2400/072—Intercoolers therefor

Definitions

  • Heat pump with a connected in a circuit first thermal fluid energy machine and second thermal fluid energy machine
  • the invention relates to a heat pump with a circuit for a working fluid with a prime mover, a connected as a working machine in the circuit first thermal fluid energy machine and a connected as an engine in the cycle ⁇ run second fluid energy machine.
  • the first fluid energy machine and the two ⁇ te fluid energy machine are mechanically coupled together, for example by a common drive ⁇ strand.
  • a heat pump of the aforementioned kind is known for ⁇ play, from WO 2009/044139 AI. This heat ⁇ pump is used to transport the heat from a cold storage in a heat storage.
  • a first thermal fluid energy machine and a second ther ⁇ mixing fluid energy machine in the form of piston machines are used.
  • These machines are driven by an electric motor, which is always operated when excess electrical energy is available in the electrical network. This is the case with regenerative power generation or when power plant capacities can not be timely adjusted to the current power consumption.
  • the stored thermal energy can be discharged in case of need so in a sub ⁇ supply of the network with electric power by reversing the heat pump cycle, which can be generated by means of a generator electrical power.
  • thermodynamic machines As fluid energy machines on an industrial scale.
  • the cost of the design, construction and construction of such thermodynamic fluid engines is significant.
  • available compressors and turbines operate in other operating ranges and are therefore not available with satisfactory performance. to operate.
  • Steam turbines operate at a different density of the process fluid and are excreted for the sole reason ⁇ .
  • Gaseous process fluids are used in gas turbines, but the gases are heated in gas turbines to over 1000 ° C and are therefore in a lower density than would be required for a heat pump in the thermal energy storage in the present application.
  • the operating point can not be selected by Ver ⁇ application of a commercially available gas turbine itself.
  • the object of the invention is therefore to develop a heat pump of the type specified in that way that available hydrodynamic flow machines can be used inexpensively.
  • the second thermal fluid energy machine has the rotor of a turbine stage of a gas turbine and the first thermal Fluidenergy- machine has the compressor stage of a gas turbine, in which case the following is considered according to the invention.
  • the compressor stage comes from a gas turbine, which has a higher output than the gas turbine, which comes from the turbine ⁇ nenwear.
  • the compressor stage and turbine stage are mechanically coupled together via a first gearbox such that the compressor stage rotates more slowly than the turbine stage.
  • the gear ratio ⁇ between compressor stage and turbine stage causes the turbine stage and the compressor stage can be operated at different speeds.
  • the working gas in the heat pump must be heated to 370 ° C.
  • Proceeding ⁇ based passes by a model calculation, the working gas at 1 bar and 5 ° C to the first thermal fluid energy machine. Compression by means of the first fluid energy machine operating as a compressor leads to a pressure increase to 15 bar and, consequently, to a temperature increase to 370 ° C. This calculation is based on the following formula
  • T 2 is the temperature at the compressor outlet
  • K is the compressibility, which is 1.4 in air.
  • the isentropic efficiency n c can at the
  • the heated working gas now passes through a heat exchanger, where the bulk of the available thermal energy is stored.
  • the working gas is cooled to 100 ° C, while the pressure (apart from strömungsbe ⁇ related pressure losses) at 14.5 bar remains largely intact.
  • the working gas in the turbine stage is relieved so that it arrived at a pressure level of 1.1 bar at ⁇ .
  • the working gas cools to -70 ° C.
  • the working beitsgas can then withdraw the ambient heat and heats up again to 5 ° C basis for this Be ⁇ bill is also the above mentioned formula.
  • engine and work machine are used in the context of this application so that a work machine takes on mechanical work to fulfill its purpose.
  • a thermal fluid energy machine used as a work machine is thus used as a compressor or as a compressor.
  • a thermal fluid energy machine for performing work converts the space available in the working gas thermi ⁇ specific energy.
  • the thermal fluid energy machine is thus operated as a motor.
  • thermal fluid energy machine is a generic term for machines that can extract thermal energy from or impart thermal energy to a working fluid, in the context of this application, a working gas.
  • Thermal energy is understood to mean both thermal energy and refrigeration energy machines can be designed for example as a piston engine.
  • hydrodynamic thermal Fluidener ⁇ energy machinery can be used, the wheels allow a continuous flow of the working gas.
  • turbine or compressor axially acting used Preferably, turbine or compressor axially acting used.
  • the turbine stage is taken from the Siemens gas turbine with the type designation SGT-100. This has an output power ⁇ 4.35 to 5.4 MW at 17,384 revolutions / min, and a compression ratio of 16.6: 1st
  • the gas throughput is about 21 kg / s.
  • combustion gases at about 1100 ° C relaxed. This results in a corrected mass flow for operation as Turbi ⁇ nenge the gas turbine to kg / s. 52 kg
  • the low-pressure part of the turbine stage can be calculated equally ⁇ SEN to
  • the working machine is an electric motor and the mechanical coupling to the turbine stage and the compressor stage is carried out via a second gear, wherein the ratio ⁇ ratio is determined such that the electric motor is operated at its rated speed.
  • synchronous machines with rotational speeds of 3000 revolutions / min can advantageously be used.
  • the gear ratio to the compressor stage can be chosen so that it is also driven at its rated speed.
  • the adaptation of the required speed for the turbine stage is possible.
  • the operation of the electric motor at its operating point advantageously results in a further gain in efficiency of the system.
  • a further embodiment of the invention provides that between the compressor stage and the turbine stage, a first heat exchanger is arranged, which emits the heat to a secondary därniklauf in which a heat storage is provided.
  • This has the advantage that the secondary circuit ⁇ not prevail among the circulation of the heat pump (primary circuit) to the printing conditions must be operated.
  • the heat storage and implemented in this channel system for exchanging the heat can be under a lower pressure, which significantly simplifies the design of the heat storage.
  • the turbine stage comprises a high-pressure part and a low-pressure part ⁇ . This design is common in gas turbines, the high-pressure part is referred to as a compressor turbine and is designed in terms of power to drive the compressor.
  • the low-pressure part of the turbine is power turbine be ⁇ draws, which provides the useful power of the gas turbine, which can be used, for example, for power generation who ⁇ .
  • both the high pressure part and the low pressure part is arranged on a Wel ⁇ le and the overall performance of the turbine stage under ⁇ supports the prime mover in the operation of the compressor stage.
  • a third heat exchanger is connected with its primary connections. Furthermore, a fourth pulptau ⁇ cher is connected between the high pressure part and the low pressure part, which exchanges heat with the environment. Behind the fourth heat exchanger and before the low pressure part of the third heat exchanger is connected with its secondary terminals.
  • This arrangement has the advantage that the Ar ⁇ beitsgas after it flows out of the high-pressure part of the turbine stage, can receive via the fourth heat exchanger heat from the environment, which can be provided to the heat pump process are available.
  • the temperature behind the high-pressure part is as low as possible, the working gas is withdrawn before entering the high-pressure part via the third heat exchanger further heat and fed back to the working gas behind the high ⁇ pressure part. This heat is converted in the low pressure ⁇ part of the turbine stage.
  • a second heat exchanger is provided in the circuit between the turbine stage and the compressor stage.
  • This heat exchanger increases the amount of heat that can be supplied to the working gas on the way from the turbine ⁇ stage to the compressor stage from the environment.
  • This heat is additionally available to the heat pump. supply and thus advantageously increases the amount of heat stored in the heat accumulator.
  • a particularly inexpensive solution is advantageous th preservation if the turbine stage having turbine blades is equipped kitchens ⁇ tet, which was dispensed with a corrosion protective coating and a thermal barrier coating.
  • the coatings mentioned are applied to gas turbines, as these are operated under extreme conditions (corrosive combustion gases above 1000 ° C heat of the process gases). In the heat pump cycle, the operation is carried out at substantially ge ⁇ ringeren temperatures of less than 100 ° and with the working medium air, so such measures for corrosion protection ⁇ are not required.
  • the turbine stage can therefore be used in the heat pump according to the invention as semi-finished component in view of the application in gas turbines.
  • the turbine stage is provided with the said protective layers, as they are also provided in gas turbines.
  • a 3-way valve is provided, with which the mass flow of the process gas can be divided, with a part in the heat pump cycle, which also contains the combustion chamber, and with another part in an additional line leading to an auxiliary turbine, which is operated fluidically independent of the turbine stage.
  • the proportion of the mass flow, the ver ⁇ remains in Wärmpumpenniklauf is quantitatively determined to be present after heat the working gas in the combustion chamber of the required under the thermal conditions corrected mass flow, so that the turbine stage can be ⁇ driven into its operating point. This has already been explained in detail above.
  • the remaining mass flow is diverted and via a fifth heat exchanger, which is provided with its primary connections in the additional power heats. Then this divided mass flow is expanded through the turbine to ⁇ set.
  • the fifth heat exchanger is fed by the waste heat of the turbine stage.
  • FIG. 1 shows a heat pump which has a circuit 11 for a working gas. This can be operated, for example, with ambient air, wherein the
  • Circuit 11 is closed. Via a drive motor M and a first gear 12, a compressor stage 13 is ben ⁇ industry .
  • the working gas which is introduced into the compressor at 5 ° C at 1 bar pressure, leaves it at a temperature of 370 ° C and a pressure of 15 bar.
  • a first heat exchanger 14 the temperature of the working gas to a secondary circuit 15 is delivered, in which a thermal storage is connected ⁇ cher sixteenth In the heat accumulator 16 is not shown in detail channel ⁇ system is formed, which also acts as a heat exchanger between ⁇ the fluid in the secondary circuit and the storage material of the heat accumulator.
  • the working fluid in the secondary circuit is heated by the heat exchanger to 350 ° C and cooled by the heat storage back to 80 ° C.
  • the pressure of the fluid can be substantially constant at 1.2 to 1.25 bar.
  • the working fluid in the circuit 11 (primary circuit) is cooled by the heat exchanger 14 to 100 ° and fed to the turbine stage 17 in a high pressure part 17h. There it is relieved to a pressure of 3.9 bar and leaves the high pressure section for 17h at 5.5 ° C. In this state, the Ar ⁇ beitsgas is then fed into the low pressure part 17n of the Turbi ⁇ nencut 17 and exits at a tempera ture ⁇ from -70 ° C and a pressure of 1.1 bar. The working gas is then fed to a second heat exchanger 18 by absorbing heat from the environment.
  • the second heat exchanger 18 by absorbing heat from the environment.
  • Heat exchanger 18 can be fed, for example, with river water.
  • the working gas leaves the second heat exchanger 18 at a temperature of 5 ° C.
  • the compressor stage 13 comes from the Siemens gas turbine SGT-400.
  • the turbine stage 17 comes from the Siemens gas turbine SGT-100.
  • the compressor stage generates a mass flow of the working gas of 40 kg / s. This is suitable for operating the turbine stage under the given thermodynamic conditions at least near its operating point. Since the compressor stage 13, a lower nominal speed on ⁇ has, as the turbine stage 17 is between the drive shafts 19a, 19b a second transmission 20 for the compressor stage and the turbine stage.
  • the heat pump can be used for charging the heat accumulator 16 when stand excess capacity available in the network elekt ⁇ step.
  • the heat accumulator 16 can be discharged via a discharge circuit 21 and a sixth heat ⁇ exchanger 22.
  • the working fluid liquid or gas
  • the working fluid is cooled from 455 ° C to 90 ° C from ⁇ , wherein the heattient- in a steam circuit 23 is fed.
  • steam is generated at a pressure of 80 bar and a temperature of 430 ° C and expanded by a steam turbine 24, then ver ⁇ liquid via a cooler 25 and fed via a feed pump 26 to the sixth jackettau- shear 22 again, with a Temperature of 32 ° C.
  • the steam turbine generated via a generator G just needed electrical power.
  • a third heat exchanger 27 is provided in the circuit 11, which extracts 17 heat the working fluid before passing through the high-pressure part 17h of the turbine stage.
  • the working gas is cooled from 100 ° C to 50 ° C.
  • the working fluid ⁇ After expansion across the high-pressure part 17h, the working fluid ⁇ then to a temperature of -40 ° C and a pressure of 4 bar. Due to this low temperature, heat from the environment (for example from river water) can be supplied to the working gas via a fourth heat exchanger 28.
  • the working gas reaches a temperature of 5 ° C again.
  • Further heating of the working gas is characterized ⁇ it enough that this is introduced into the third heat exchanger, where it extracts the heat located on the way to the high-pressure part working gas further heat and is heated to 55 ° C.
  • the working gas is the low-pressure part ⁇ supplied to 17n of the turbine stage 17 and biases bar ⁇ ent to 1.1.
  • FIG. 3 shows a fluidic circuit with which a kind of emergency operation can be realized in the heat pump cycle according to the invention, if a demand for electric current is given over a longer period of time and the heat accumulator 16 according to FIG.
  • the first heat exchanger 14 (see Figure 1) bypassed via a non-illustrated by-pass line and the heat exchanger 18 (see Figure 1) is deactivated by that the closed circuit 11 is opened before the compressor stage and behind the low-pressure part 17n.
  • a three-way valve 29 is set so that the mass flow of the working gas at 20 kg / s to the turbine stage 17 and 20 kg / s (ie half) to a
  • a burner 32 is fluidly connected, which is supplied via a feed line 33 with a fuel.
  • the volume flow ⁇ of the working gas is heated to 1100 ° C, whereby the conditions are present ⁇ conditions, which undergoes the SGT-100 turbine stage 17 in the operation as a gas turbine. Therefore, a Halbie ⁇ tion of the volume flow to 20 kg / s is required, since it is in this volume flow to the design volume flow provided during operation of the SGT-100 turbine stage as Gasturbi ⁇ ne. This allows the available in the heat pump hydrodynamic machines according to the principle of
  • Gas turbine can be used to generate in this way via a Ge ⁇ generator G electrical power.
  • the excess capacity of the compressor stage 13 is scale ⁇ builds on the secondary turbine 30th
  • the waste heat from the gas turbine can be introduced via a discharge line 34 into a fifth heat exchanger 35, which heats the working gas in the additional line 31 before passing through the additional turbine 30.
  • the figure 4 can be seen, as in the high-pressure part 17h of the turbine stage 17 as a function of the corrected

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit einem Kreislauf (11), in dem ein Kompressor (13) und eine Turbine (17) vorgesehen sind, um das Arbeitsgas abwechselnd zu verdichten und zu entspannen und auf diesem Wege einen Wärmespeicher (16) aufzuladen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass für den Kompressor (13) und die Turbinen (17h, 17n) Komponenten aus Gasturbinen verwendet werden. Da die Turbinenstufe (17) der Gasturbine allerdings normalerweise bei anderen Temperaturen betrieben wird, ist es erforderlich, den Massenfluss an Arbeitsgas soweit zu erhöhen, dass die Turbinenstufe in ihrem Arbeitspunkt betrieben werden kann. Zu diesem Zweck wird die Kompressorstufe (13) einer größeren Gasturbine mit der Turbinenstufe (17) einer kleineren Gasturbine kombiniert. Da die Kompressorstufe (13) dann eine geringere Drehzahl zum Betrieb erfordert als die Turbinenstufe (17), ist außerdem ein Getriebe (20) vorgesehen, die den Betrieb der hydrodynamischen Maschinen bei unterschiedlichen Drehzahlen erlaubt.

Description

Beschreibung
Wärmepumpe mit einer in einem Kreislauf geschalteten ersten thermischen Fluidenergie-Maschine und zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine
Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit einem Kreislauf für ein Arbeitsfluid mit einer Antriebsmaschine, einer als Arbeitsmaschine im Kreislauf geschalteten ersten thermischen Fluidenergie-Maschine und einer als Kraftmaschine im Kreis¬ lauf geschalteten zweiten Fluidenergie-Maschine. Die An¬ triebsmaschine, die erste Fluidenergie-Maschine und die zwei¬ te Fluidenergie-Maschine sind dabei mechanisch miteinander gekoppelt, beispielsweise mit einem gemeinsamen Antriebs¬ strang. Eine Wärmepumpe der eingangs angegebenen Art ist bei¬ spielsweise aus der WO 2009/044139 AI bekannt. Diese Wärme¬ pumpe wird verwendet, um die Wärme aus einem Kältespeicher in einen Wärmespeicher zu transportieren. Hierzu werden eine erste thermische Fluidenergie-Maschine und eine zweite ther¬ mische Fluidenergie-Maschine in Form von Kolbenmaschinen verwendet. Der Antrieb dieser Maschinen erfolgt durch einen Elektromotor, der immer dann betrieben wird, wenn im elektrischen Netz überschüssige elektrische Energie zur Verfügung steht. Dies ist der Fall bei der regenerativen Stromerzeugung oder, wenn Kraftwerkskapazitäten nicht zeitnah an den aktuellen Stromverbrauch angepasst werden können. Die gespeicherte thermische Energie kann im Bedarfsfall also bei einer Unter¬ versorgung des Netzes mit elektrischem Strom durch Umkehrung des Wärmepumpenzyklus wieder entladen werden, wobei mittels eines Generators elektrischer Strom erzeugt werden kann.
Es besteht nun der Wunsch, in großtechnischem Maßstab als Fluidenergie-Maschinen hydrodynamische Maschinen einzusetzen. Allerdings ist der Aufwand für die Auslegung, Konstruktion und den Bau solcher thermodynamischer Strömungskraftmaschinen (Verdichter und Turbinen) erheblich. Andererseits arbeiten verfügbare Kompressoren und Turbinen in anderen Betriebsbereichen und sind daher nicht mit einem befriedigenden Wir- kungsgrad zu betreiben. Dampfturbinen arbeiten bei einer anderen Dichte des Prozessfluids und scheiden schon allein des¬ wegen aus. Gasförmige Prozessfluide werden bei Gasturbinen angewendet, jedoch werden die Gase bei Gasturbinen auf über 1000°C erhitzt und liegen daher in einer geringeren Dichte vor als dies für eine Wärmepumpe bei der thermischen Energie- speicherung im vorliegenden Anwendungsfall erforderlich wäre. Auch hier lässt sich also der Arbeitspunkt nicht durch Ver¬ wendung einer marktüblichen Gasturbine einstellen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Wärmepumpe der eingangs angegebenen Art dahin weiterzubilden, dass verfügbare hydrodynamische Strömungskraftmaschinen kostengünstig eingesetzt werden können.
Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Wärmepumpe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zweite thermische Fluidenergie-Maschine den Läufer einer Turbinenstufe einer Gasturbine aufweist und die erste thermische Fluidenergie- Maschine die Kompressorstufe einer Gasturbine aufweist, wobei hierbei erfindungsgemäß Folgendes berücksichtigt wird. Die Kompressorstufe entstammt einer Gasturbine, die eine höhere Ausgangsleistung aufweist als die Gasturbine, der die Turbi¬ nenstufe entstammt. Die Kompressorstufe und die Turbinenstufe werden über ein erstes Getriebe mechanisch miteinander gekoppelt, derart, dass sich die Kompressorstufe langsamer dreht als die Turbinenstufe. Mit anderen Worten führt die Getriebe¬ übersetzung zwischen Kompressorstufe und Turbinenstufe dazu, dass die Turbinenstufe und die Kompressorstufe bei unter- schiedlichen Drehzahlen betrieben werden können. Dies ist wichtig, da die Kompressorstufe aus einer größeren Gasturbine stammt als die Turbinenstufe, wobei diese aufgrund der ge¬ nannten Tatsache auch eine geringere Nenndrehzahl beim Betrieb erfordert. Die Einhaltung der Nenndrehzahl bei Turbi- nenstufe und Kompressorstufe ist jedoch wichtig, damit diese hydrodynamischen Maschinen bei ihrem optimalen Wirkungsgrad arbeiten . Die technische Maßnahme, die Kompressorstufe einer Gasturbi¬ nenserie einer höheren Ausgangsleistung zu entnehmen, als die Turbinenstufe setzt folgende Überlegungen hinsichtlich des Prozessablaufs in der Wärmepumpe voraus.
Um zum Beispiel einen Wärmespeicher mit genügend Wärme zum Betrieb einer Dampfturbine zu versorgen, muss das Arbeitsgas in der Wärmepumpe auf 370 °C erhitzt werden. Hiervon ausge¬ hend gelangt nach einer Modellrechnung das Arbeitsgas mit 1 bar und 5°C zur ersten thermischen Fluidenergie-Maschine . Durch Komprimierung mittels der als Verdichter arbeitenden ersten Fluidenergie-Maschine kommt es zu einer Druckerhöhung auf 15 bar und infolgedessen auch zu einer Temperaturerhöhung auf 370 °C. Dieser Berechnung liegt folgende Formel zugrunde
T2= !+ (T2s-Ti) /nc; Τ23=ΤιΠ «^1» /K, wobei
T2 die Temperatur am Verdichterausgang,
ΤΊ die Temperatur am Verdichtereingang,
nc der isentropische Wirkungsgrad des Kompressors,
n das Druckverhältnis (hier 15:1) und
K die Kompressibilität ist, die bei Luft 1,4 beträgt.
Der isentropische Wirkungsgrad nc kann bei der
Kompressorstufe mit 0,85 vorausgesetzt werden.
Das erhitzte Arbeitsgas durchläuft nun einen Wärmetauscher, wo der Hauptteil der verfügbaren thermischen Energie gespeichert wird. Während der Speicherung kühlt sich das Arbeitsgas auf 100 °C ab, während der Druck (abgesehen von strömungsbe¬ dingten Druckverlusten) mit 14,5 bar weitgehend erhalten bleibt. Anschließend wird das Arbeitsgas in der Turbinenstufe entspannt, so dass es auf einem Druckniveau von 1,1 bar an¬ langt. Dabei kühlt sich das Arbeitsgas auf -70 °C ab. Das Ar- beitsgas kann anschließend der Umgebung Wärme entziehen und erwärmt sich dabei wieder auf 5 °C Grundlage für diese Be¬ rechnung ist ebenfalls die oben angegebene Formel. Die Begriffe Kraftmaschine und Arbeitsmaschine werden im Rah¬ men dieser Anmeldung so verwendet, dass eine Arbeitsmaschine mechanische Arbeit aufnimmt, um ihren Zweck zu erfüllen. Eine thermische Fluidenergie-Maschine, die als Arbeitsmaschine verwendet wird, wird somit als Verdichter oder als Kompressor verwendet. Demgegenüber verrichtet eine Kraftmaschine Arbeit, wobei eine thermische Fluidenergie-Maschine zur Verrichtung der Arbeit die im Arbeitsgas zur Verfügung stehende thermi¬ sche Energie umwandelt. In diesem Fall wird die thermische Fluidenergie-Maschine also als Motor betrieben.
Der Begriff „thermische Fluidenergie-Maschine" bildet einen Oberbegriff von Maschinen, die einem Arbeitsfluid, im Zusammenhang mit dieser Anmeldung ein Arbeitsgas, thermische Energie entziehen oder diesem thermische Energie zuführen können. Unter thermischer Energie ist sowohl Wärmeenergie als auch Kälteenergie zu verstehen. Thermische Fluidenergie-Maschinen können beispielsweise als Kolbenmaschinen ausgeführt sein. Bevorzugt können auch hydrodynamische thermische Fluidener¬ gie-Maschinen verwendet werden, deren Laufräder einen kontinuierlichen Fluss des Arbeitsgases erlauben. Vorzugsweise kommen axial wirkende Turbinen bzw. Verdichter zum Einsatz.
Unter Berücksichtigung dieser Temperatur müssen für die Turbinenstufe und die Kompressorstufe geeignete Arbeitspunkte gefunden werden, damit diese bei einem optimalen Wirkungsgrad arbeiten. Außerdem ist nur so gewährleistet, dass das oben geforderte Kompressionsverhältnis von 15:1 verwirklicht wer¬ den kann. Die Auslegung soll am Beispiel von verfügbaren Kompressorstufen und Turbinenstufen der Firma Siemens erläutert werden.
Die Turbinenstufe wird von der Siemens Gasturbine mit der Typbezeichnung SGT-100 entnommen. Diese hat eine Ausgangs¬ leistung von 4,35 bis 5,4 MW bei 17.384 Umdrehungen/min und einem Verdichtungsverhältnis von 16,6:1. Der Gasdurchsatz liegt bei ca. 21 kg/s. Im Betrieb als Gasturbine werden Ver- brennungsgase bei ungefähr 1100°C entspannt. Hieraus ergibt sich ein korrigierter Massenfluss für den Betrieb als Turbi¬ nenstufe der Gasturbine zu kg/s . 52 kg'
aAor
Der Niederdruckteil der Turbinenstufe lässt sich gleicherma¬ ßen berechnen zu
VMBMf
kg/s 174 kg-
Wird diese SGT-100 Turbine nun in der erfindungsgemäßen Anwendung als Wärmepumpe verwendet, herrschen im Wesentlichen bis auf die Temperatur dieselben Parameter. Die Temperatur ist allerdings wesentlich niedriger, und zwar 373 K vor dem Hochdruckteil der Turbinenstufe und 279 K vor dem Nieder¬ druckteil der Turbinenstufe. Setzt man diese Daten in die oben genannte Formel für den korrigierten Massenfluss ein, so erhält man für den Hochdruckteil der Turbinenstufe
21 kg/s · -,— = 26 kg'—— und für den Niederdruckteil der Turbinenstufe 21 kg/s"—7— = 90 kg- -^- .
Vergleicht man diese Ergebnisse mit den berechneten korri¬ gierten Massenflüssen im Gasturbinenbetrieb, so erkennt man, dass der korrigierte Massenfluss im Betrieb als Wärmepumpe um ungefähr 50 % reduziert ist. Bei diesem Massenfluss kann das Verdichtungsverhältnis nicht mehr eingehalten werden, weswe¬ gen die Turbine nicht als Kraftmaschine arbeiten würde.
Hier setzt die Erfindung an, indem die Kompressorstufe der Siemens Turbine mit der Bezeichnung SGT-400 verwendet wird. Diese hat eine Ausgangsleistung von 12,9 bis 14,4 MW, eine Drehzahl von 9500 Umdrehungen/min und ein Verdichtungsverhältnis von 16,8:1 bis 18,9:1. Der realisierte Massenfluss liegt zwischen 39,4 kg/s und 44,3 kg/s. Damit liegt der durch diese Kompressorstufe realisierte Massenfluss ungefähr beim doppelten desjenigen der STG-100. Die Folge davon ist, dass durch Steigerung des Massenflusses auf das Doppelte der kor¬ rigierte Massenfluss auch auf das Doppelte ansteigt. Auf die¬ se Weise können die Auswirkungen aufgrund der geringeren Temperatur des Arbeitsgases ausgeglichen werden, so dass die Turbinenstufe wieder bei ihrem Arbeitspunkt arbeitet.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Arbeitsmaschine ein Elektromotor ist und die mechanische Kopplung zu der Turbinenstufe sowie der Kompressorstufe über ein zweites Getriebe ausgeführt ist, wobei das Übersetzungs¬ verhältnis derart bestimmt ist, dass der Elektromotor bei seiner Nenndrehzahl betrieben wird. Insbesondere können vorteilhaft Synchronmaschinen mit Drehzahlen von 3000 Umdrehungen/min verwendet werden. Das Übersetzungsverhältnis zu der Kompressorstufe kann so gewählt werden, dass diese ebenfalls bei ihrer Nenndrehzahl angetrieben wird. Über die schon genannte Getriebestufe ist die Anpassung der geforderten Drehzahl für die Turbinenstufe möglich. Der Betrieb des Elektro¬ motors bei seinem Arbeitspunkt hat vorteilhaft einen weiteren Wirkungsgradgewinn der Anlage zur Folge.
Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass zwischen der Kompressorstufe und der Turbinenstufe ein erster Wärmetauscher angeordnet ist, der die Wärme an einen Sekun- därkreislauf abgibt, in dem ein Wärmespeicher vorgesehen ist. Dies hat den Vorteil, dass der Sekundärkreislauf nicht unter den im Kreislauf der Wärmepumpe (Primärkreislauf) herrschen¬ den Druckbedingungen betrieben werden muss. Damit kann auch der Wärmespeicher und das in diesem realisierte Kanalsystem zum Austausch der Wärme unter einem geringeren Druck stehen, was die Auslegung des Wärmespeichers bedeutend vereinfacht. Eine wieder andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Turbinenstufe einen Hochdruckteil und einen Nieder¬ druckteil aufweist. Diese Bauform ist bei Gasturbinen üblich, wobei der Hochdruckteil als Kompressorturbine bezeichnet wird und leistungsmäßig zum Antrieb des Kompressors ausgelegt ist. Der Niederdruckteil der Turbine wird Leistungsturbine be¬ zeichnet, die die Nutzleistung der Gasturbine zur Verfügung stellt, welche beispielsweise zur Stromerzeugung genutzt wer¬ den kann. Bei der Anwendung gemäß der Erfindung ist sowohl der Hochdruckteil als auch der Niederdruckteil auf einer Wel¬ le angeordnet und die Gesamtleistung der Turbinenstufe unter¬ stützt die Antriebsmaschine beim Betrieb der Kompressorstufe.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem ersten Wärmetauscher und dem Hochdruckteil ein dritter Wärmetauscher mit seinen Primäranschlüssen geschaltet ist. Weiterhin ist zwischen dem Hochdruckteil und dem Niederdruckteil ein vierter Wärmetau¬ cher geschaltet ist, der Wärme mit der Umgebung austauscht. Hinter dem vierten Wärmetauscher und vor dem Niederdruckteil ist der dritte Wärmetauscher mit seinen Sekundäranschlüssen geschaltet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass das Ar¬ beitsgas, nachdem es aus dem Hochdruckteil der Turbinenstufe ausströmt, über den vierten Wärmetauscher Wärme aus der Umgebung aufnehmen kann, die dem Wärmepumpenprozess zur Verfügung gestellt werden kann. Damit die Temperatur hinter dem Hochdruckteil möglichst gering ist, wird dem Arbeitsgas vor dem Eintritt in den Hochdruckteil über den dritten Wärmetauscher weitere Wärme entzogen und dem Arbeitsgas hinter dem Hoch¬ druckteil wieder zugeführt. Diese Wärme wird im Niederdruck¬ teil der Turbinenstufe umgesetzt.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn zwischen der Turbinenstufe und der Kompressorstufe ein zweiter Wärmetauscher in dem Kreislauf vorgesehen ist. Dieser Wärmetauscher vergrößert die Wärmemenge, die dem Arbeitsgas auf dem Weg von der Turbinen¬ stufe zur Kompressorstufe aus der Umwelt zugeführt werden kann. Diese Wärme steht der Wärmepumpe zusätzlich zur Verfü- gung und vergrößert damit vorteilhaft die im Wärmespeicher gespeicherte Wärmemenge.
Eine besonders kostengünstige Lösung wird vorteilhaft erhal- ten, wenn die Turbinenstufe mit Turbinenschaufeln ausgestat¬ tet ist, bei denen auf eine Korrosionsschutzbeschichtung und auf eine thermische Schutzbeschichtung verzichtet wurde. Die genannten Beschichtungen werden bei Gasturbinen aufgetragen, da diese unter extremen Bedingungen (korrosive Verbrennungs- gase über 1000°C Wärme der Prozessgase) betrieben werden. Im Wärmepumpenkreislauf erfolgt der Betrieb bei wesentlich ge¬ ringeren Temperaturen von unter 100° und mit dem Arbeitsmedium Luft, weswegen derartige Maßnahmen für den Korrosions¬ schutz nicht erforderlich sind. Die Turbinenstufe kann in der erfindungsgemäßen Wärmepumpe daher als unter Gesichtspunkten der Anwendung in Gasturbinen halbfertiges Bauteil verwendet werden .
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Turbinenstufe mit den genannten Schutzschichten versehen wird, wie sie auch bei Gasturbinen vorgesehen werden. Außerdem wird in diesem Fall zwischen der Kompressorstufe und der Turbinenstufe gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung eine Verbrennungskammer mit einer Zuleitung für einen Brennstoff im
Kreislauf vorgesehen. Zwischen der Kompressorstufe und der
Verbrennungskammer wird ein 3-Wege-Ventil vorgesehen, mit dem der Massenfluss des Prozessgases aufgeteilt werden kann, und zwar mit einem Teil in den Wärmepumpenkreislauf, der auch die Verbrennungskammer enthält, und mit einem weiteren Teil in eine Zusatzleitung, die zu einer Zusatzturbine führt, welche fluidisch unabhängig von der Turbinenstufe betrieben wird. Der Anteil des Massenflusses, der im Wärmpumpenkreislauf ver¬ bleibt, wird betragsmäßig so bestimmt, dass nach Erhitzung des Arbeitsgases in der Verbrennungskammer der unter den thermischen Bedingungen erforderliche korrigierte Massenfluss vorliegt, damit die Turbinenstufe in ihrem Arbeitspunkt be¬ trieben werden kann. Dies ist oben bereits ausführlich erläutert worden. Der restliche Massenfluss wird abgezweigt und über einen fünften Wärmetauscher, der mit seinen Primäranschlüssen in der Zusatzleistung vorgesehen ist, erwärmt. Anschließend wird dieser abgeteilte Massenfluss über die Zu¬ satzturbine entspannt. Der fünfte Wärmetauscher wird von der Abwärme der Turbinenstufe gespeist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszei- chen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen :
Figur 1 bis 3 verschiedene Ausführungsbeispiele der erfin- dungsgemäßen Wärmepumpe als schematische Blockschaltbilder und
Figur 4 und 5 das Druckverhältnis PR welches durch die den Hochdruckteil (Figur 4) und den Niederdruckteil (Figur 5) ei- ner Turbinenstufe in Abhängigkeit vom korrigierten Massen¬ fluss mcor erreichbar ist.
In der Figur 1 ist eine Wärmepumpe dargestellt, die einen Kreislauf 11 für ein Arbeitsgas aufweist. Dieser kann bei- spielsweise mit Umgebungsluft betrieben werden, wobei der
Kreislauf 11 geschlossen ist. Über einen Antriebsmotor M und ein erstes Getriebe 12 wird eine Kompressorstufe 13 angetrie¬ ben. Das Arbeitsgas, welches mit 5 °C bei 1 bar Druck in den Kompressor eingeleitet wird, verlässt diesen mit einer Tempe- ratur von 370 °C und einem Druck von 15 bar. Über einen ersten Wärmetauscher 14 wird die Temperatur des Arbeitsgases an einen Sekundärkreislauf 15 abgegeben, in dem ein Wärmespei¬ cher 16 geschaltet ist. Im Wärmespeicher 16 ist ein nicht näher dargestelltes Kanal¬ system ausgebildet, welches ebenfalls als Wärmetauscher zwi¬ schen dem Fluid im Sekundärkreislauf und dem Speichermaterial des Wärmespeichers fungiert. Das Arbeitsfluid im Sekundär- kreislauf wird durch den Wärmetauscher auf 350 °C erwärmt und durch den Wärmespeicher wieder auf 80 °C abgekühlt. Der Druck des Fluids kann im Wesentlichen gleichbleibend bei 1,2 bis 1,25 bar liegen .
Das Arbeitsfluid im Kreislauf 11 (Primärkreislauf) wird durch den Wärmetauscher 14 auf 100° abgekühlt und in einem Hochdruckteil 17h der Turbinenstufe 17 eingespeist. Dort wird es auf einen Druck von 3, 9 bar entspannt und verlässt den Hochdruckteil 17h mit 5,5 °C. In diesem Zustand wird das Ar¬ beitsgas anschließend in den Niederdruckteil 17n der Turbi¬ nenstufe 17 eingespeist und verlässt diese mit einer Tempera¬ tur von -70 °C und von einem Druck von 1,1 bar. Das Arbeitsgas wird anschließend einem zweiten Wärmetauscher 18 zuge- führt, indem es Wärme aus der Umgebung aufnimmt. Der zweite
Wärmetauscher 18 kann beispielsweise mit Flusswasser gespeist werden. Das Arbeitsgas verlässt den zweiten Wärmetauscher 18 mit einer Temperatur von 5 °C. Die Kompressorstufe 13 entstammt der Siemens Gasturbine SGT- 400. Die Turbinenstufe 17 entstammt der Siemens Gasturbine SGT-100. Die Kompressorstufe erzeugt einen Massenfluss des Arbeitsgases von 40 kg/s. Dieser ist geeignet, um auch die Turbinenstufe unter den gegebenen thermodynamischen Voraus- Setzungen zumindest nahe ihres Arbeitspunktes zu betreiben. Da die Kompressorstufe 13 eine geringere Nenndrehzahl auf¬ weist als die Turbinenstufe 17 ist zwischen Antriebswellen 19a, 19b für die Kompressorstufe und die Turbinenstufe ein zweites Getriebe 20 vorgesehen.
Mit dem elektrischen Antriebsmotor M kann die Wärmepumpe zum Aufladen des Wärmespeichers 16 genutzt werden, wenn im elekt¬ rischen Netz Überkapazitäten zur Verfügung stehen. In Zeiten eines Bedarfs an elektrischer Energie kann der Wärmespeicher 16 über einen Entladekreislauf 21 und einen sechsten Wärme¬ tauscher 22 entladen werden. In dem Wärmetauscher wird das Arbeitsfluid (Flüssigkeit oder Gas) von 455 °C auf 90 °C ab¬ gekühlt, wobei die Wärme in einem Dampfkreislauf 23 einge- speist wird. Hier wird Wasserdampf bei einem Druck von 80 bar und einer Temperatur von 430 °C erzeugt und über eine Dampfturbine 24 entspannt, anschließend über einen Kühler 25 ver¬ flüssigt und über eine Speisepumpe 26 dem sechsten Wärmetau- scher 22 wieder zugeführt, und zwar mit einer Temperatur von 32 °C. Die Dampfturbine erzeugt über einen Generator G den gerade benötigten elektrischen Strom.
In Figur 2 ist im Wesentlichen derselbe Wärmepumpenkreislauf dargestellt. Allerdings weist dieser zusätzlich noch eine zweite Möglichkeit auf, Wärme der Umgebung zu entziehen. Zu diesem Zweck ist im Kreislauf 11 ein dritter Wärmetauscher 27 vorgesehen, der dem Arbeitsfluid vor dem Passieren des Hochdruckteils 17h der Turbinenstufe 17 Wärme entzieht. Das Ar- beitsgas wird hierbei von 100 °C auf 50 °C abgekühlt. Nach der Entspannung über den Hochdruckteil 17h weist das Arbeits¬ fluid dann eine Temperatur von -40 °C und einen Druck von 4 bar auf. Aufgrund dieser geringen Temperatur kann dem Arbeitsgas über einen vierten Wärmetauscher 28 Wärme aus der Umgebung (beispielsweise aus Flusswasser) zugeführt werden. Damit erreicht das Arbeitsgas wieder eine Temperatur von 5 °C. Eine weitere Erwärmung des Arbeitsgases wird dadurch er¬ reicht, dass dieses in den dritten Wärmetauscher eingeleitet wird, wo es dem auf dem Weg zum Hochdruckteil befindlichen Arbeitsgas weitere Wärme entzieht und auf 55 °C aufgewärmt wird. In diesem Zustand wird das Arbeitsgas dem Niederdruck¬ teil 17n der Turbinenstufe 17 zugeführt und auf 1,1 bar ent¬ spannt. Am Ausgang des Niederdruckteils 17n herrscht eine Temperatur von -40 °C im Arbeitsgas.
Der Figur 3 kann eine fluidische Schaltung entnommen werden, mit der in dem erfindungsgemäßen Wärmepumpenkreislauf eine Art Notlauf realisiert werden kann, falls ein Bedarf an elektrischem Strom über einen längeren Zeitraum gegeben ist und der Wärmespeicher 16 gemäß Figur 1 erschöpft ist. In die¬ sem Fall wird der erste Wärmetauscher 14 (siehe Figur 1) über eine nicht näher dargestellte Bypassleitung umgangen und der Wärmetauscher 18 (siehe Figur 1) wird dadurch deaktiviert, dass der geschlossene Kreislauf 11 vor der Kompressorstufe und hinter dem Niederdruckteil 17n geöffnet wird. Hinter der Kompressorstufe 13 wird ein Dreiwegeventil 29 so eingestellt, dass sich der Massenfluss des Arbeitsgases zu 20 kg/s auf die Turbinenstufe 17 und zu 20 kg/s (also der Hälfte) auf eine
Zusatzturbine 30 verteilt. Hierzu wird der für die Zusatztur¬ bine 30 gedachte Anteil des Massenflusses in eine Zusatzlei¬ tung 31 abgezweigt. Diese passiert einen Wärmetauscher, um das Arbeitsgas von 380 °C auf 450 °C zu erhitzen und wird über die Zusatzturbine 30, die auf diesem Betriebszustand op¬ timiert ist, auf 1 bar entspannt, wobei eine Abkühlung des Arbeitsgases auf 100 °C erfolgt.
In den Teil des Wärmepumpenkreislaufs hinter dem Dreiwegeven- til 29, der zu der Turbinenstufe 17 führt, wird fluidisch ein Brenner 32 geschaltet, der über eine Zuleitung 33 mit einem Brennstoff versorgt wird. In diesem Brenner wird der Volumen¬ strom des Arbeitsgases auf 1100 °C erhitzt, womit die Bedin¬ gungen vorliegen, die die SGT-100 Turbinenstufe 17 bei dem Betrieb als Gasturbine erfährt. Daher ist auch eine Halbie¬ rung des Volumenflusses auf 20 kg/s erforderlich, da es sich bei diesem Volumenstrom um den konstruktiv vorgesehenen Volumenstrom beim Betrieb der SGT-100 Turbinenstufe als Gasturbi¬ ne handelt. Damit können die in der Wärmepumpe zur Verfügung stehenden hydrodynamischen Maschinen nach dem Prinzip der
Gasturbine genutzt werden, um auf diesem Wege über einen Ge¬ nerator G elektrischen Strom zu erzeugen. Die Überkapazität der Kompressorstufe 13 wird über die Zusatzturbine 30 abge¬ baut. Die Abwärme aus der Gasturbine kann über eine Ableitung 34 in einen fünften Wärmetauscher 35 eingeleitet werden, der das Arbeitsgas in der Zusatzleitung 31 vor dem Passieren der Zusatzturbine 30 erwärmt.
Der Figur 4 lässt sich entnehmen, wie bei dem Hochdruckteil 17h der Turbinenstufe 17 in Abhängigkeit des korrigierten
Massenflusses mcor sich das Druckverhältnis PR verändert. Es wird deutlich, dass bei einem Absinken des korrigierten Massenflusses unterhalb des Nennwertes das erreichbare Druckver- hältnis schnell auf 1:1 absinkt. Dies zeigt, dass die Korrek¬ tur über einen größer dimensionierten Kompressor unbedingt erforderlich ist. Wie Figur 5 zeigt, gilt dies in gleicher Weise auch für den korrigieren Massenfluss des Niederdruck- teils 17n der Turbinenstufe 17.

Claims

Patentansprüche
1. Wärmepumpe mit einem Kreislauf (11) für ein Arbeitsfluid mit einer Antriebsmaschine (11), einer als Arbeitsmaschine im Kreislauf (11) geschalteten ersten thermischen Fluidenergie- Maschine und einer als Kraftmaschine im Kreislauf (11) ge¬ schalteten zweiten Fluidenergie-Maschine, wobei die Antriebs¬ maschine (11), die erste Fluidenergie-Maschine und die zweite Fluidenergie-Maschine mechanisch miteinander gekoppelt sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die zweite thermische Fluidenergie-Maschine die Turbi¬ nenstufe (17) einer Gasturbine aufweist und die erste thermi¬ sche Fluidenergie-Maschine die Kompressorstufe (13) einer Gasturbine aufweist, wobei
- die Kompresserstufe (13) einer Gasturbine entstammt, die eine höhere Ausgangsleistung aufweist als die Gasturbi¬ ne, der die Turbinenstufe (17) entstammt und
- die Kompressorstufe (13) und die Turbinenstufe (17) über ein erstes Getriebe (20) mechanisch miteinander gekop- pelt sind, derart, dass sich die Kompressorstufe (13) langsamer dreht, als die Turbinenstufe (17) .
2. Wärmepumpe nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Antriebsmaschine (11) ein Elektromotor ist und die mechanische Kopplung zu der Turbinenstufe (17) sowie der Kompressorstufe (13) über ein zweites Getriebe (12) ausge¬ führt ist, wobei das Übersetzungsverhältnis derart bestimmt ist, dass der Elektromotor bei seiner Nenndrehzahl betrieben wird.
3. Wärmepumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass zwischen der Kompressorstufe (13) und der Turbinenstufe (17) ein erster Wärmetauscher (14) angeordnet ist, der die
Wärme an einen Sekundärkreislauf (15) abgibt, in dem ein Wär¬ mespeicher (16) vorgesehen ist.
4. Wärmepumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Turbinenstufe (17) einen Hochdruckteil (17h) und ei¬ nen Niederdruckteil (17n) aufweist.
5. Wärmepumpe nach Anspruch 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass
- zwischen dem ersten Wärmetauscher (14) und dem Hoch- druckteil (17h) ein dritter Wärmetauscher (27) mit seinen Primäranschlüssen geschaltet ist,
- zwischen dem Hochdruckteil (17h) und dem Niederdruckteil (11) ein vierter Wärmetaucher (28) geschaltet ist, der Wärme mit der Umgebung austauscht und
- hinter dem vierten Wärmetauscher (28) und vor dem Niederdruckteil (17n) der dritte Wärmetauscher (27) mit seinen Sekundäranschlüssen geschaltet ist.
6. Wärmepumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass zwischen der Turbinenstufe (17) und der Kompressorstufe (13) ein zweiter Wärmetauscher (18) in dem Kreislauf (11) vorgesehen ist.
7. Wärmepumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Turbinenstufe (17) mit Turbinenschaufeln ausgestat¬ tet ist, bei denen auf eine Korrosionsschutzbeschichtung und auf eine thermische Schutzbeschichtung verzichtet wurde.
8. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass
- zwischen der Kompressorstufe (13) und der Turbinenstufe (17) eine Verbrennungskammer (32) mit einer Zuleitung
(33) für einen Brennstoff im Kreislauf (11) vorgesehen ist, - zwischen der Kompressorstufe (13) und der Verbrennungs¬ kammer (32) ein Dreiwegeventil (29) vorgesehen ist, von der eine Zusatzleitung (31) zu einer Zusatzturbine (30) führt und
- zwischen dem Dreiwegeventil (29) und der Zusatzturbine
(30) ein fünfter Wärmetauscher (35) mit seinen Primäranschlüssen in der Zusatzleitung (30) vorgesehen ist, wobei der fünfte Wärmetauscher (35) mit seinen Sekundäranschlüssen in eine Ableitung (34) geschaltet ist, die von der Turbinenstufe (17) kommt.
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