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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Aus
DE 10 2006 057 247 A1 ist bereits eine Aufladeeinrichtung bekannt, die zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine dient. Im Abgastrakt der Brennkraftmaschine ist mindestens ein Wärmetauscher eines Kreislaufes eines Arbeitsmediums untergebracht. In dem Kreislauf sind außerdem ein Turbinenteil und ein Förderaggregat angeordnet. Über das Turbinenteil wird ein im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnetes Verdichterteil angetrieben.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2009 035 522 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Abwärmenutzungsvorrichtung bekannt, wobei diese Abwärmenutzungsvorrichtung eine Einrichtung zur Speicherung thermischer Energie außerhalb des Kreislaufs aufweist.
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Aus der
DE 10 2011 076 054 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Abwärmenutzungsvorrichtung bekannt, wobei der Kreislauf der Abwärmenutzungsvorrichtung einen Wärmespeicher aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine und das zugehörige erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass durch eine im Leitungskreis angeordnete Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie der Leitungskreis auch außerhalb des normalen Betriebsbereiches weiterbetrieben werden kann. Thermische Energie, die im Arbeitsmedium gespeichert ist, kann außerhalb des normalen Betriebsbereiches nicht von der Expansionsmaschine in mechanische Energie umgewandelt werden, so dass diese thermische Energie normalerweise ungenutzt verloren geht. Durch die Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie last sich die thermische Energie zwischenspeichern und dem Arbeitsmedium zu einem späteren Zeitpunkt zuführen.
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Befindet sich der Leitungskreis in einem Kraftfahrzeug, kann bei hohen Geschwindigkeiten, in denen dem Leitungskreis durch die Abgasanlage oder Abwärme des Motors eine hohe Menge an thermischer Energie zur Verfügung gestellt wird, überschüssige thermische Energie in der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie gespeichert werden. Die in der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie gespeicherte thermische Energie kann dann bei niedrigen Geschwindigkeiten, in denen dem Leitungskreis durch die Abgasanlage oder Abwärme des Motors eine geringere Menge an thermischer Energie zur Verfügung gestellt wird, wieder abgegeben werden.
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Vorteilhaft ist eine Anordnung der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie zwischen dem Wärmetauscher und der Expansionsmaschine, da an dieser Stelle des Leitungskreises im Arbeitsmedium der größte Anteil an thermischer Energie vorhanden ist.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch eine Bypassverbindung, welche parallel zur Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie geschaltet ist, da das Arbeitsmedium im normalen Betriebsbereich, in dem keine thermische Energie gespeichert werden soll oder an das Arbeitsmedium abgegeben werden soll, an der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie vorbei strömen kann.
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Eine Einrichtung zur Mengenregulierung kann auf vorteilhafte Weise zwischen dem Wärmetauscher und der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie angeordnet werden, um das Arbeitsmedium gezielt durch die Bypassverbindung oder die Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie zu leiten.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich durch den Einsatz eines Latentwärmespeicher als Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie, da der Latentwärmespeicher die Möglichkeit bietet, in einem kleinen durch die Schmelztemperatur des eingesetzten Speichermaterials festgelegten Temperaturbereich viel Wärmeenergie in relativ wenig Masse zu speichern. Bei einem normalen Wärmespeicher wird dagegen beim bloßen Erwärmen des Speichermaterials ein größerer Temperaturbereich benötigt, um vergleichbare Wärmemengen zu speichern.
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Vorteilhaft ist der Einsatz einer Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie, wenn der normale Betriebsbereich zum Betreiben des Leitungskreises überschritten oder unterschritten wird, da in diesen Fällen das Arbeitsmedium durch die Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie geleitet werden kann.
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Bei einem Betriebsbereich, bei dem das Arbeitsmedium im Wärmetauscher nicht verdampft wird, ist es vorteilhaft, wenn das Arbeitsmedium durch ein Mittel zur Umgehung der Expansionsmaschine und/oder des Kondensator geleitet wird, da in diesem Fall Schäden an der Expansionsmaschine durch noch flüssiges Arbeitsmedium vermieden werden können.
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Durch die Abgabe von thermischer Energie an das Arbeitsmedium durch die Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie, wenn der normale Betriebsbereich unterschritten wird, kann der Leitungskreis länger weiterbetrieben werden. Es entfallen viele Ein- und Ausschaltvorgänge, welche sich negativ auf die Haltbarkeit der einzelnen Komponenten des Leitungskreises auswirken würden.
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Vorteilhaft ist eine Steuereinrichtung, welche den Ladezustand der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie überwacht. Die Steuereinrichtung ermöglicht einen effizienten Umgang mit überschüssiger thermischer Energie, da sie eine Abgabe von thermischer Energie an das Arbeitsmedium nur vornimmt, wenn dadurch ein Weiterbetrieb der Expansionsmaschine sichergestellt wird.
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Soll thermische Energie aus der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie an das Arbeitsmedium abgegeben werden, so steuert die Steuereinrichtung ein Mittel zur Aktivierung an. Durch das Mittel zur Aktivierung wird vermieden, dass zu jedem Zeitpunkt bei einem Durchströmen der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie thermische Energie an das Arbeitsmedium abgegeben wird. Durch das Mittel zur Aktivierung kann die Aufnahme und Abgabe von thermischer Energie in der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie aktiv gesteuert werden.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
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2 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Die 1 zeigt eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine 2 mit einem Leitungskreis 4, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert. Im Leitungskreis 4 sind mindestens ein Wärmetauscher 8, eine Expansionsmaschine 10, ein Kondensator 12 und eine Speisepumpe 6 angeordnet.
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Die Brennkraftmaschine 2 kann insbesondere als luftverdichtende, selbstzündende oder gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine 2 ausgestaltet sein. Speziell eignet sich die Vorrichtung zur Abwärmenutzung für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen. Die erfinderische Vorrichtung zur Abwärmenutzung eignet sich allerdings auch für andere Anwendungsfälle.
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Die Brennkraftmaschine 2 verbrennt Brennstoff, um mechanische Energie zu erzeugen. Die hierbei entstehenden Abgase werden über eine Abgasanlage, in der ein Abgaskatalysator angeordnet sein kann, ausgestoßen. Ein Leitungsabschnitt 22 der Abgasanlage ist durch einen Wärmetauscher 8 geführt. Wärmeenergie aus den Abgasen oder der Abgasrückführung wird über den Leitungsabschnitt 22 im Wärmetauscher 8 an das Arbeitsmedium abgegeben, so dass das Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 verdampft werden kann.
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Der Wärmetauscher 8 des Leitungskreises 4 ist über eine Leitung 26 mit der Expansionsmaschine 10 verbunden. Die Expansionsmaschine 10 kann als Turbine oder Kolbenmaschine ausgestaltet sein. Über die Leitung 26 strömt das verdampfte Arbeitsmedium zur Expansionsmaschine 10 und treibt diese an. Die Expansionsmaschine 10 weist eine Antriebswelle 11 auf, über die die Expansionsmaschine 10 mit einer Last verbunden ist. Hierdurch kann beispielsweise mechanische Energie an einen Antriebsstrang übertragen werden oder zum Antreiben eines elektrischen Generators, einer Pumpe oder dergleichen dienen. Nach dem Durchströmen der Expansionsmaschine 10 wird das Arbeitsmedium über eine Leitung 28 zu einen Kondensator 12 geführt. Das über die Expansionsmaschine 10 entspannte Arbeitsmedium wird im Kondensator 12 abgekühlt. Der Kondensator 12 kann mit einem Kühlkreislauf 23 verbunden sein. Bei diesem Kühlkreislauf 23 kann es sich z. B. um einen Kühlkreislauf 23 der Brennkraftmaschine 2 handeln. Das im Kondensator 12 verflüssigte Arbeitsmedium wird über die Leitung 29 von einer Speisepumpe 6 in die Leitung 24 transportiert.
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Als Arbeitsmedium kann Wasser eingesetzt werden oder eine andere Flüssigkeit, die den thermodynamischen Anforderungen entspricht. Das Arbeitsmedium erfährt beim Durchströmen des Leitungskreises 4 thermodynamische Zustandsänderungen, die idealerweise einem Rankine Cycle Prozess entsprechen. In der flüssigen Phase wird das Arbeitsmedium durch die Speisepumpe 6 auf das Druckniveau für die Verdampfung komprimiert. Anschließend wird die Wärmeenergie des Abgases über den Wärmetauscher 8 an das Arbeitsmedium abgegeben. Dabei wird das Arbeitsmedium isobar verdampft und anschließend überhitzt. Danach wird der Dampf in der Expansionsmaschine 10 adiabat entspannt. Dabei wird mechanische Energie gewonnen und auf die Antriebswelle 11 übertragen. Das Arbeitsmedium wird dann im Kondensator 12 abgekühlt und wieder der Speisepumpe 6 zugeführt.
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Im Leitungskreis 4 befindet sich eine Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30. Diese Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 kann ein Wärmespeicher oder ein Latentwärmespeicher sein. Die Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 ist in der Leitung 26 zwischen dem Wärmetauscher 8 und der Expansionsmaschine 10 angeordnet. Es ist aber auch möglich, die Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 an anderen Positionen innerhalb des Leitungskreises 4 anzuordnen.
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Es ist eine Bypassverbindung 35 vorgesehen, welche parallel zur Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 angeordnet ist. In der Bypassverbindung 35 befindet sich ein Bypassventil 34 durch welches die Durchflussmenge des Arbeitsmediums durch die Bypassverbindung 35 kontrolliert werden kann. Das Bypassventil 34 kann vollständig geöffnet oder geschlossen sein und auch weitere Positionen annehmen, durch die die Durchflussmenge des Arbeitsmediums durch die Bypassverbindung 35 geregelt wird.
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Es ist eine Einrichtung zur Mengenregulierung 32 zwischen dem Wärmetauscher 8 und der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 angeordnet. Die Einrichtung zur Mengenregulierung 32 befindet sich bevorzugt zwischen der Abzweigung der Bypassverbindung 35 und der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30. Die Einrichtung zur Mengenregulierung 32 kann vollständig geöffnet oder geschlossen sein und auch weitere Positionen annehmen, durch die die Durchflussmenge des Arbeitsmediums durch die Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 geregelt wird.
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Es ist ein Mittel zur Umgehung 14, 14' der Expansionsmaschine 10 und/oder des Kondensators 12 im Leitungskreis 4 angeordnet. Das Mittel zur Umgehung 14 kann eine hydraulische Leitung sein, die von der Leitung 26 abzweigt und parallel zur Expansionsmaschine 10 angeordnet ist. Alternativ kann das Mittel zur Umgehung 14' eine hydraulische Leitung sein, die von der Leitung 26 abzweigt und parallel zur Expansionsmaschine 10 und zum Kondensator 12 angeordnet ist. Die Alternative ist in der 1 durch die gestrichelte Linie dargestellt.
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Das Mittel zur Umgehung 14, 14' weist eine Abzweigstelle 36 zwischen der Einmündung der Bypassverbindung 35 in die Leitung 26 und der Expansionsmaschine 10 auf. Die Abzweigstelle 36 kann durch ein Dreiwegeventil 36 gebildet werden. Das Dreiwegeventil 36 kann entweder eine Verbindung zwischen der Leitung 26 und der Expansionsmaschine 10 öffnen und die Verbindung zum Mittel zur Umgehung 14, 14' absperren oder die Verbindung zwischen der Leitung 26 und der Expansionsmaschine 10 sperren und die Verbindung zwischen der Leitung 26 und dem Mittel zur Umgehung 14, 14' öffnen.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren wird die Abwärmenutzung der Brennkraftmaschine 2 auch in einem Betriebsbereich ermöglicht, der außerhalb des normalen Betriebsbereiches liegt. Der normale Betriebsbereich zeichnet sich dadurch aus, dass dem Leitungskreis 4 über die Abgasanlage soviel Wärmeenergie zugeführt wird, dass das Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 verdampft wird, so dass die Expansionsmaschine 10 durch das verdampfte Arbeitsmedium angetrieben werden kann.
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Wenn der normale Betriebsbereich zum Betreiben des Leitungskreises überschritten wird, wird dem Arbeitsmedium über den Wärmetauscher 8 mehr thermische Energie zugeführt, als zum Antrieb der Expansionsmaschine 10 genutzt werden kann. Wenn der normale Betriebsbereich zum Betreiben des Leitungskreises unterschritten wird, wird dem Arbeitsmedium über den Wärmetauscher 8 weniger thermische Energie zugeführt, als zum Antrieb der Expansionsmaschine 10 benötigt wird. Bei einem Unterschreiten des normalen Betriebsbereich ist es möglich, dass dem Leitungskreis über den Wärmetauscher 8 nicht genug thermische Energie zugeführt, so dass das Arbeitsmedium nicht vollständig verdampft wird.
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Bei einer Abwärmenutzung im normalen Betriebsbereich ist das Bypassventil 34 geöffnet und die Einrichtung zur Mengenregulierung 32 geschlossen, so dass das verdampfte Arbeitsmedium vom Wärmetauscher 8 direkt zur Expansionsmaschine 10 strömt. Das Dreiwegeventil 36 schließt in diesem Fall die Verbindung zum Mittel zur Umgehung 14, 14'.
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Wenn der normale Betriebsbereich zum Betreiben des Leitungskreises 4 überschritten oder unterschritten wird, wird das Arbeitsmedium durch die Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 geleitet. Dazu wird die Einrichtung zur Mengenregulierung 32 geöffnet und das Bypassventil 34 geschlossen, so dass das gesamte Arbeitsmedium vom Wärmetauscher 8 durch die Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 strömt. Die Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 kann die thermische Energie, die nicht zum Antrieb der Expansionsmaschine 10 genutzt werden kann, speichern.
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Befindet sich der Betriebsbereich oberhalb des normalen Betriebsbereichs, so befindet sich mehr thermische Energie im Arbeitsmedium, als durch die Expansionsmaschine 10 zur Umwandlung in mechanische Energie genutzt werden kann. Die Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 kann diese überschüssige Energie speichern, um sie dem Arbeitsmedium zu einem späteren Zeitpunkt wieder zur Verfügung zu stellen. In diesem Fall strömt das verdampfte Arbeitsmedium vom Wärmetauscher 8 in die Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30, wo ein Teil der thermischen Energie des Arbeitsmediums gespeichert wird. Nach dem Durchströmen der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 befindet sich aber immer noch soviel thermische Energie im Arbeitsmedium, dass die Expansionsmaschine 10 angetrieben werden kann. Das Arbeitsmedium strömt von der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 zur Expansionsmaschine 10, wo die restliche thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird und durch die Welle 11 an weitere Verbraucher übertragen wird.
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Befindet sich der Betriebsbereich unterhalb des normalen Betriebsbereich, so kann die Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 entweder die thermische Energie, die nicht zum Antrieb der Expansionsmaschine 10 genutzt werden kann, speichern oder dem Arbeitsmedium thermische Energie aus der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 zuführen. In beiden Fällen strömt das Arbeitsmedium vom Wärmetauscher 8 über Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 zur Abzweigstelle 36.
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Befindet sich sie Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 in einem unaufgeladenen Zustand, d. h. in der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 ist keine oder keine ausreichende Menge an thermischer Energie gespeichert, so wird vom Arbeitsmedium thermische Energie an die Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 abgegeben. Nach dem Durchströmen der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 strömt das Arbeitsmedium über das Dreiwegeventil 36 in das Mittel zur Umgehung 14, 14' der Expansionsmaschine 10 und/oder des Kondensators 12. Die Verbindung zur Expansionsmaschine 10 wird durch das Dreiwegeventil 36 geschlossen.
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Befindet sich die Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 in einem aufgeladenen Zustand, d. h. in der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 ist thermische Energie gespeichert, so kann sie die thermische Energie an das Arbeitsmedium abgeben. In diesem Fall wird über eine Steuereinheit 37 ein Mittel zur Aktivierung 38 angesteuert. Das Mittel zur Aktivierung 38 löst die Abgabe von thermischer Energie aus der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 an das Arbeitsmedium aus.
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Das Mittel zur Aktivierung 38 kann ein Peltier-Element sein, welches durch lokale Unterkühlung die Umwandlung (Kristallisation) und damit Wärmeabgabe in der als Latentwärmespeicher 30 ausgeführten Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 auslöst.
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Durch Anlegen einer Spannung wird am Peltier-Element eine Kalt- und eine Warmseite erzeugt. Die Kaltseite dient zum Starten des Materials des Latentwärmespeichers 30 mittels lokaler Unterkühlung.
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Der Temperaturanstieg ausgelöst durch die Kristallisation, verursacht eine signifikante Änderung des Stromgradienten im Peltier-Element, der genutzt wird, um die erfolgreiche Aktivierung der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 zu detektieren und den Startvorgang zu beenden.
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Das Arbeitsmedium, welches durch die thermische Energie aus der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 angereichert wurde, strömt über das Dreiwegeventil 36 weiter zur Expansionsmaschine 10. Die Verbindung zum Mittel zur Umgehung 14, 14' der Expansionsmaschine 10 und/oder des Kondensators 12 wird durch das Dreiwegeventil 36 geschlossen.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist ein Turbinenbypass 41 vorgesehen. Der Turbinenbypass 41 ist eine hydraulische Leitung, welche parallel zum Dreiwegeventil 36 und der Turbine 10 angeordnet ist, und durch welche das Arbeitsmedium aus der Leitung 26 zwischen der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 und dem Dreiwegeventil 36 direkt in die Leitung 28 zwischen Turbine 10 und Kondensator 12 strömen kann.
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An dem Übergang der Leitung 26 zum Turbinenbypass 41 ist ein Bypassdreiwegeventil 42 angeordnet. Durch das Bypassdreiwegeventil 42 kann das Arbeitsmedium aus der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 entweder in den Turbinenbypass 41 geleitet werden oder zum Dreiwegeventil 36 geleitet werden.
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In einer alternativen Ausführungsform kann anstelle des Bypassdreiwegeventils 42 ein Turbinenventil im Turbinenbypass 41 und ein weiteres Ventil in der Leitung 26 zwischen der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 und dem Dreiwegeventil 36 angeordnet sein.
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Durch den Turbinenbypass 41 ist es möglich, dass bei einem Betrieb des Leitungskreises 4 oberhalb des normalen Betriebsbereichs nur ein Teil des Arbeitsmediums durch die Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 geleitet wird. Nach dem Durchströmen der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 kann das abgekühlte Arbeitsmedium durch den Turbinenbypass 41 direkt zum Kondensator 12 geleitet werden. In diesem Fall ist das Bypassdreiwegeventil 42 in Richtung des Turbinenbypasses 41 geöffnet und zum Dreiwegeventil 36 geschlossen.
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Ein anderer Teil des Arbeitsmediums kann durch das teilweise geöffnete Bypassventil 34 und die Bypassverbindung 35 zu Dreiwegeventil 36 und weiter zur Turbine 10 strömen.
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Die Steuereinrichtung 37 überwacht den Ladezustand der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30. Die Steuereinrichtung kann den Ladezustand der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie abhängig von dem Volumenstrom und der Temperatur des Arbeitsmediums, welches durch die Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 strömt, berechnen. Hierzu kann die Temperatur des Arbeitsmediums mit Hilfe von Temperatursensoren in der Leitung 26 überwacht werden und der Volumenstrom abhängig von der Fördermenge der Speisepumpe 6 und der Öffnungszeiten der Einrichtung zur Mengenregulierung 32 bestimmt werden. Der Ladezustand der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 zeigt die Menge an thermischer Energie an, die in der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 gespeichert ist. Abhängig vom Ladezustand der Einrichtung zur Speicherung von thermischer Energie 30 wird bei einem Unterschreiten des normalen Betriebsbereichs von der Steuereinrichtung 37 das Mittel zur Aktivierung 38 angesteuert.
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Des Weiteren steuert die Steuereinrichtung 37 abhängig vom Betriebszustand die Einrichtung zur Mengenregulierung 32, das Bypassventil 34 und das Dreiwegeventil 36 an. Die Einrichtung zur Mengenregulierung 32, das Bypassventil 34 und das Dreiwegeventil 36 werden abhängig von den zuvor beschrieben Betriebszuständen von der Steuereinrichtung 37 so angesteuert, dass sie vollständig oder teilweise geöffnet oder geschlossen sind.
