DE2407617A1 - Verfahren zur energierueckgewinnung aus verfluessigten gasen - Google Patents
Verfahren zur energierueckgewinnung aus verfluessigten gasenInfo
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Description
H 74/008 Sm/Sr
(H 792) I5.2.I974
Verfahren zur Energierückgewinnung aus verflüssigten Ga3en
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energierückgewinnung aus verflüssigten Gasen durch deren Verdampfen im Wärmetausoh
mit einem Kreislaufmedium, welches dabei gekühlt, anschließend
verdichtet, erwärmt und arbeitsleistend entspannt wird.
Derartige Verfahren sind für die Energierückgewinnung aus ver flüssigtem Erdgas bereits bekannt« Bei einem dieser Verfahren
(US-PS 2 937 504) wird beispielsweise am Fundort verflüeeigte«
und zum Verbrauchsort flüssig transportiertes Erdgas im Wfiraetausch
mit als Kreislaufmedium dienendem Propan verdampft, wobei
sich das Propan verflüssigt. Bei einem anderen bekannten
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Verfahren (US-PS 3 O68 659) wird als Kreislaufmedium Äthan
benutzt, das ebenfalls durch Wärmetausch mit dem verflüssigten Erdgas verflüssigt wird.
Allen diesen bekannten Verfahren ist gemeinsam, daß das als Kraftwerk dienende Kreislaufsystem mit einem Kreislaufmedium
arbeitet, welches im Wärmetauscn mit verflüssigtem Erdgas verflüssigt,
anschließend mit einer Pumpe verdichtet und nach Zufuhr von Fremdwärme und Wiederverdampfung entspannt wird. Bei
solchen Systemen sind, um einen möglichst großen Teil der Verflüssigungsenergie
aus dem Erdgas wiederzugewinnen, hohe Drücke erforderlich, die beispielsweise im Hochdruokteil des
Kreislaufsystems bis zu 140 bar betragen können (US-PS 3 068 659).
Derartig hohe Drücke haben jedoch zur Folge, daß das Temperaturniveau auf der warmen Seite des Kreislaufsystems - ähnlich wie
bei einem Dampfkraftwerk - begrenzt bleibt und somit die zugeführte
Fremdwärme nicht optimal ausgenutzt wird. Hauptsächlich aus diesem Grunde erreicht keines der bekannten Verfahren den
Wirkungsgrad eines guten konventionellen Kraftwerke.
Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Verfahren ist außerdem,
daß. sie bei Wegfall der Erdgas Versorgung nicht ohne zusätzliche
Maßnahmen arbeiten können, da das Kreislaufmedium bei
Umgebungstemperatur in einfacher Weise nicht verflüssigt werden kann.
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Von großem Nachteil ist bei den bekannten Verfahren schließlich
auch, daß die Kreislaufmedien durchweg brennbare Stoffe sind«
die im Hochtemperaturbereich eine nur schwer zu beherrschende
Explosionsgefahr bilden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln,
mit dem die Verflüssigungsenergie aus einem verflttasigten
Gas in optimaler V/eise wiedergewonnen werden kann.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Kreislaufmedium auoh
bei der tiefsten im Kreislaufsystem erreichten Temperatur gasförmig bleibt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Verflüssigungeenergie
aus einem verflüssigten Gas mit einem höheren Wirkungegrad als mit den .bekannten Verfahren wiedergewonnen werden. Eine
besondere Rolle spielt hierbei die wesentliche Erhöhung der Differenz der Eingangstemperatur des Kreislaufmediums an den
Maschinen des Kreislaufsystems, die anstelle von 200 bis 500 K
bei den bekannten Verfahren beim erfindungsgemäßen Verfahren
zur Zeit bis zu 1000 K betragen kann, vor allem, weil es mit
niedrigeren Kreislaufdrücken auskommt. Diese hohe Temperaturdifferenz
ermöglicht eine wesentlich bessere Ausnutzung der Fremdwärme bei gleichzeitiger optimaler Ausnutzung der Kälteexergie♦
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* Τ-
j Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die
Wiedergewinnung der Verflüssigungsenergie von Erdgas kann z.B. mehr als die HnIfte der Verflüssigungsenergie wieu^gewonnen
werden. Da im allgemeinen die Energieerzeugungskosten in Erdgasverbraucherländern
mehr als doppelt so hoch siend wie in Erdgaserzeugerländern,
erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren mindestens
einen vollen Wiedergewinn der Energiekosten für die Verflüssigung.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in
seiner einfachen Leistungssteuerung* die, wie bei jeder Gasturbine
mit geschlossenem Kreislauf durch eine einfache Steuerung des Druckniveaus durch Änderung der Gasfüllung im Kreislaufsystem
erfolgen kann.
Die Erwärmung des Kreislaufmediums vor seiner arbeiteleistenden
Entspannung erfolgt zu einem großen Teil durch Zufuhr von Fremdwärme. Mit Vorteil kann jedoch ein Teil der Erwärmung auoh
rekuperativ durch Wärmetausch des Kreislaufmediums mit sich
selbst erfolgen.
Die Drücke des Kreislaufmediums liegen in Abhängigkeit von den
gewünschten Kreislaufeigenschaften und von der Art des eingesetzten
Mediums bei einer bevorzugten Ausführungsform im Niederdruckteil
des Kreislaufsysteme zwischen 1 und 20 bar und im Hoohdruckteil zwischen 15 und 60 bar. Bei speziellen Verfahrens-
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2407617 linde Aktiengesellschaft
weisen können jedoch auch andere Druckverhältnisse zur Anwendung
kommen. Um die Temperaturdifferenz zwischen warmem und kaltem Teil des Kreislaufsystems so groß wie möglich zu halten, ist es
vorteilhaft, das Verfahren so zu steuern, daß das Kreislaufmedium vor seiner arbeiteIeistenden Entspannung eine Temperatur
zwischen 800 und 13Ou ty, vorzugsweise so nahe wie möglich an
der höchsten Temperatur, die die Sntspannungsturbinen auehalten,
und die Temperatur vor der Verdichtung so nahe wie möglich an der Temperatur des zu verdampfenden flüssigen Gasee zu halten«
Als Kreislaufmedium kommen vor allem Gase in Frage, die sich
beim Saugdruck des jeweils vorliegenden Temperaturbereichs annähernd als ideale Gase verhalten. Hierbei sind vor allem
inerte Gase wie Stickstoff, Helium und Argon oder auch Luft zu nennen, wobei vor allem Helium bei allen infragekommenden
Temperaturen und Drücken als Arbeitsmedium gleichermaßen gut geeignet ist.
Das auf hohen Druck gepumpte zu verdampfende verflüssigte Gaa
kann mit großem Vorteil nach seiner Verdampfung weiter erwärmt
und anschließend arbeiteleietend entspannt werden. Hierdurch
ist eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. Die nachträgliche Erwärmung kann
auch- durch Wärmetausch mit dem Kreislaufmedium nach dessen arbeit
sie is tender Entspannung erfolgen.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfLndun^sgemäßen Verfahrens,
bei der das Kreislaufsystem einen Wärmetauscher für die
Verdampfung des verflüssigten Gases, einen mindestens einstufigen Verdichter, einen Rekuperator, einen Erhitzer und eine mindestens
einstufige Entspannungsturbine aufweist, zeichnet sich durch
eine spezielle Ausgestaltuns des Wärmetauschers aus, bei der ein
Strömungsquerschnitt für die Verdampfung eines flüssigen Gases
und der zweite Strömungsquerschnitt für ein gasförmiges Medium
und der Verdichter ein Gaskompressor ausgebildet istx" Hierbei kann mit Vorteil dem Strömungsquerschnitt
für das verdampfende Medium ein Erhitzer mit angeschlossener Entspannungsturbine nachgeschaltet sein, wobei der Erhitzer entweder
durch Premdwärme betrieben wird, oder als Wärmetauscher mit dem
Kreislaufmedium als Wärmeträger ausgebildet ist.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für das erfindungsgemäße Verfahren
ist die Wiederverdampfung von Erdgas, das am Ort seines Vorkommens zur Verbilligung seines Transports unter Energieaufwand
in flüssigen Zustand übergeführt wird. Dieses verflüssigte Erdgas muß an seinem Bestimmungsort verdampft und unter einem bestimmten
Druck in das Versorgungsnetz eingespeist werden. Ee liegt auf der Hand, daii es erstrebenswert ist, wenn es gelingt,
bei dieser Wiederverdampfung die Verflüssigungsenergie so weit
wie möglich wiederzugewinnen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
gelingt dies mit einem überraschend günstigen Wirkungsgrad.
• A
509834/0493
Das Kreislaufsystem des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitet
bei der Wiedergewinnung der Verflüssigungsenerg'Je ähnlich einem
Garturbinenkraftv/erk mit geschlossenem lire is lauf, bei dem Premdvjärrae
beispielsweise durch Verbrennen von Brennstoffen in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt wird. Es unterscheidet
sich jedoch von einem konventionellen Kraftwerk entscheidend
durch einen wesentlich größeren Temperaturunterschied
zwischen dem kalten und warmen Teil des Kreislaufsystems, der einer der wichtigsten Gründe für den guten Wirkungsgrad des er—
findungsgemaßen Verfahrens ist.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke, die Wiedergewinnung der Verflüssigungsenergie eines zu verdampfenden Gases mittels
eines stets gasförmig bleibenden Kreislaufmediums durchzuführen,
führt demnach aus der Sicht der Gasturbinenkraftwerke zu einem neuartigen Kraftwerktyp mit einem besseren Wirkungsgrad als er
von konventionellen Kraftwerken mit der üblichen Wasserkühlung her bekannt ist. Von besonderem Vorteil ist deshalb auch die
Anwendung dös erfindungsgemäßen Verfahrens in Kombination mit
einem Kernenergiereaktor als Quelle für die Fremdwärme, da hierbei
die sonst sehr problematische Abwärme in günstiger Weise ausgenutzt
wird.
Außer bei der VJiederverdampfung von verflüssigtem Erdgas kann
das erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil auch bei der Verdampfung
anderer verflüssigter Gase, beispielsweise von Wasserstoff, Äthan oder Ammoniak eingesetzt werden.
I 509834/0493 ' ■
240761?
In der folgenden Tabelle 1 1st das erf induncsgemäiie Verfahren
in Anwendung auf die-Verdampfung von verflüssigtem Erdgas dem
eingangs beschriebenen Verfahren des Standes der Technik, bei dem sich verflüssigendes Äthan als Kreislaufmedium dient, gegenübergestellt.
Wie ersichtlich, ergibt sich eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades.
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Erfindung Stand der Technik (US-PS 3 068 659)
Kreislaufmenge 2,46 0,50
(Νπκ Kreislaufmedium/Nm^ Erdgas)
Wärmebedarf Q 0,469 , 0,363
(KWh/NnP Erdgas)
Gewonnene Energie L 0,315 0,188
(KWh/Nm? Erdgas)
Thermischer Wirkungsgrad 0,671 0,518
Thermodynamischer Wirkungsgrad^ th 0,545 0,392
(L/Q + JE + Lp)
Beim thermodynamisehen Wirkungsgrad ist E die Exergiedifferenz
zwischen drucklosen: flüssigem Erdgas (Ep) und austretendem gasförmigem
Erdgas (Eq) unter 70 bar. Lp ist die Pumpenleistung zur Verdichtung des Erdgases von 1 auf 70 bar.
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Die folgende Tabelle 2 gibt einen Überblick über die Betriebswerte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei dem verflüssigtes Erdgas wiederverdampft wird. Zur Veransohaulichung des Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind diesen Betriebswerten vergleichbare Betriebswerte eines konventionellen Gasturbinenkraftwerks gleicher
Kapazität mit Wasserkühlung und zweistufiger Verdichtung gegen-' übergestellt« Bei diesem ist eine Verdichtung in zwei Stufen
mit Zwischenkühlung erforderlich, um wegen des großen Druckverhältnisses
überhaupt einen brauchbaren Wirkungsgrad zu erzielen, während beim erfindungsgemäSen Verfahren schon mit einer
Stufe ein energetischer Gewinn erzielt werden kann.
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Tabelie 2
Durchsatz fl.Erdgas Vg
3in-u.Austrittsterap.fi.Erdgas (K)
iJxergie fl.Erdgas drucklos Ep (KV/)
iücergie gasf .Erdgas 70 bar EQ ('KW)
Pumpenleistung fl. Erdgas L (ICW)
Durchsatz Kre is lauf sy stern V,(Nnr/h) Kreislaufdrücke (bar)
Verdichter Ein-u.Austrittstemp. (K) Brennstoffwärme Q (KW)
Wärmeumsatz Erhitzer (Kcal/h) Wärmeumsatz Rekuperator (Kcal/h) Warmeums.Verdampf.fi.Erdg.(Kcal/h)
Warmeums.Wasserkühler (Kc al/h)
(KV/)
Turbinenleistung
Verdichterleistung y Effektive Leistung L=L^1-Ly (KW)
Leist..steigerung d.fl.Erdg. :L (KW)
thermischer Wirkungsgr. ;/= L/0,
th. -dyn. Wirk. grad f , th=L/Q+ (Ep-EG )+L
Erfindung
100 000 113/283
21 480 12 430
460
246 500
5Λ5 133/271 46 927
konventionelles
Kraftwerk
246
5/15Λ5 298/429
46
357 000 40 357
013 000 22 226 282 000
23 231
43 191 11 709 31 483 11 570
0,671
0,558
43 | 191 |
23 | 278 |
*? | 913 |
0, | 424 |
0, | 424 |
Ausnutzungsgrad der verbrauchten Exergie des fl.Erdg. (Mehrleistung/Mehrverbrauch)
1,22
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240781?
Wie aus der Tabelle 2 zu entnehmen, ist, kommt das erfindungsgemäöe
Verfahren den Bestrebungen und Entwicklungstendenzen entgegen, die eine Leistungssteigerung von Gasturbinenkraftwerden
mit geschlossenem Kreislauf zum Ziel haben. Hierzu ist vor allem die beachtliche Erhöhung der Temperaturdifferenz am
Eingang der Maschinen zu nennen, die bei konventionellen Verfahren nur durch eine Erhöhung der Eintrittstemperatur an der
Gasturbine möglich wäre, die Jedoch durch Materialeigenschaften begrenzt ist. Weiterhin ist auf die Möglichkeit einer Erhöhung
des Durchsatzes des Kreislaufmediums hinzuweisen, die bei bekannten Verfahren bei gleicher Maschinengröße nur durch eine
Erhöhung des Druckniveaus erreicht werden kann. Anders ausgedrückt
bedeutet dies, wie die Tabelle zeigt, daß die Verdichterleistung bei sonst gleichen Bedingungen auf etwa die Hälfte
verringert werden kann. Schließlich zeigt die Tabelle deutlich, daS der Wirkungsgrad des erfindungsgemäSen Verfahrens wesentlich
günstiger ist als der des konventionellen Gasturbinenkraftwerks und aller anderen konventionellen thermischen Kraftwerken.
Dies ist von großer wirtschaftlicher Bedeutung.
In den Figuren 1 bis 3 sind Äusführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Verfahrene schematisch dargestellt, die z.B. bei der Wiederverdampfung von verflüssigtem Erdgas in einem Erdgastermlnal
angewandt werden können. Die in allen Figuren gleichen
Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbe!spiel kommt durch
eine Leitung 1 flüssiges Erdgas unter etwa Atmospharendruek aus einem Speichorbehälter, z.B. aus einem Flüssiggastankschiff.
Durch die Flüssiggaspumpe 2 wird der Druck des flüssigen Erdgases
auf 70 bar erhöht. Hinter der Pumpe 2 befindet sich der
Flüssiggasverdampfer ^, aus dem das Erdgas gasförmig über Leitung
4 einem Erdgasnetz zugeleitet wird. Am Eingang des Verdampfers j5 besitzt das flüssige Erdgas eine Temperatur von etwa
lip K, während die Temperatur des austretenden verdampften Erdgases
etwa 271 K beträgt.
Die Verdampfung des Erdgases erfolgt im Verdampfer 3 gegen in
einem Kreislaufsystem zirkulierende Luft, deren Durchsatzmenge 246 500 Nnr/h beträgt. Die durch den Verdampfer 3 strömende
Luft wird stark abgekühlt, jedoch erfindungsgemäß hierbei nicht verflüssigt· Nach ihrer Abkühlung wird die Luft einem Kompressor
5, dessen Leistung 11 709 KV/ beträgt, auf 45 bar ver-
dichtet, in einem Rekuperator β im Wärmetausch gegen sich selbst
erwärmt und einem Erhitzer 7 zugeführt. Im Erhitzer 7 wird der Luft durch Fremdwärme, beispielsweise durch Verbrennen eines
fossilen Brennstoffs oder aus einem,Kernenergiereaktor, eine
Energie von 46 927 KW zugeführt, wobei die. Temperatur der Luft auf einen höchstzulässigen Wert steigt. Anschließend wird die
sehr heiße Luft, die eine bis über 1000 K höhere Temperatur ale
am Eingang des Kompressors 5 aufweisen kann, einer Entspannung·-
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240761?
turbine 8 zugeleitet, in der sie auf 5 bar entspannt wird. Die
Turbine S kann einem angekoppelten Generator 9 und dem angekoppelten Kompressor 5 eine Leistung von 2TJ I9I Kl'/ zur Verfügung
stellen. Aus der Turbine G strömt die Luft über den Rekuperator 6, in dem sie sich so weit wie möglich, vorzugsweise bis zu
Umgebungstemperatur abkühlt 3 wieder zum Verdampfer J>
zurück. Weitere Zahlenwerte zu dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
können der vorstehenden Tabelle 2 entnommen werden.
In Figur 2 ist eine vorteilhafte Weiterentwicklung des Verfahrene
gemäß Figur 1 dargestellt. Bei diesem Verfahren strömt das verdampfte Erdgas aus dem Verdampfer j5 über einen Wärmetauscher 10
zu einem Erhitzer 11, wo dem Erdgas Fremdwärme zugeführt wird. Anschließend wird das Erdgas in einer Entspannungsturbine 12
entspannt und über Leitung 4 in das Versorgungsnetz eingespeist.· Diese Ausführungsform ermöglicht eine weitere Leistungssteigerung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Eine Variante des Verfahrens gemäß Figur 2 ist in Figur J5 darge
stellt. Bei diesem Verfahren erfolgt die zusätzliche Wärmezufuhr
zum verdampften Erdgas vor seiner Entspannung in der Turbine 12
Über einen weiteren Wärmetauscher XJ, der von der im Kreislaufsystem* zirkulierenden Luft durchströmt wird.
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Das :in don Figuren 1 bis 3 dargestellte Verfahren kann für den
Fall, daic aus irgendwelchen Gründen kein Erdgas zur Verfugung
steht j auch als konventionelles Kraftwerk betrieben werden.
Hierzu wird, v/"c in Figur 1 angedeutet s anstelle des Verdampfers
3. ein Wasserkühler 1^· in den Kreislauf eingeschaltet. Bei
schwankender ErdgasVersorgung kann, auch zusätzlich zum Verdampfer
3 ein Wasserkühler vor- oder parallelgeschaltet werden.
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Claims (1)
- LINDE AKTIENGESELLSCHAFT(H 792) H 74/OO8Sm/ho 15.2.1974Patentansprüche1.)Verfahren zur Energierückgewinnung aus verflüssigten Gasen durch deren Verdampfen im Wärmetausch mit einem Kreislaufmedium, welches dabei gekühlt, anschließend verdichtet, erwärmt und arbeitsleistend entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kreislaufmedium auch bei der tiefsten, im Kreislaufsystem erreichten Temperatur gasförmig bleibt.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Kreislaufmediums teils durch Zufuhr von Fremdwärme und teils durch Wärmetausch mit sich selbst nach seiner Entspannung erfolgt.5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Kreislaufmediums im Niederdruckteil des Kreislaufsystems zwischen 1 und 20 bar und im Hochdruckteil des Kreislaufsystems zwischen 15 und 60 bar beträgt.4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Kreislaufmediums vor der arbeitsleistenden Entspannung zwischen 700 und 13OO K beträgt und vor der509834/0 4932407677LINDE AKTIENGESELLSCHAFTVerdichtung annähernd die Temperatur des zu verdampfenden verflüssigten Gases erreicht.5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kreislaufmedium ein Gas verwendet wird, welches sich ähnlich einem idealen Gas verhält.6. Verfahren nach Anspruch 5s dadurch gekennzeichnet, daß als Kreislaufmedium Luft oder Stickstoff oder ein Edelgas verwendet wird..7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das durch Wärmetausch mit dem Kreislaufmedium wiederverdampfte verflüssigte Gas erwärmt und anschließend arbeitsleistend entspannt wird (Figur 2 und J>),8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des wiederverdampften verflüssigten Gases mindestens teilweise durch Wärmetausch mit dem Kreislaufmedium nach dessen arbeltsleistender Entspannung erfolgt (Figur 3)·9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem aus einem Wärmetauscher., für die Verdampfung des verflüssigten Gases, einem mindestens ein-509834/0493240761?LINDE AKTIENGESELLSCHAFTstufigen Verdichter, einem Rekuperator, einem Erhitzer und einer mindestens einstufigen Entspannungsturbine bestehenden Kreislaufsystem, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher einen ersten Strömungsquerschnitt für ein verdampfendes und einen zweiten Strömungsquerschnitt für ein gasförmiges Medium aufweist und der Verdichter als Gaskompressor ausgebildet ist.10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Strömungsquerschnitt für das verdampfende Medium ein Erhitzer mit angeschlossener Entspannungsturbine nachgeschaltet ist.11. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder der Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10 auf die Verdampfung von verflüssigtem Erdgas.12. Anwendung nach Anspruch 11 in Kombination mit einem Kernenergiereaktor, wobei im Erhitzer des Kreislaufsystems Wärme aus dem Reaktor übertragen wird.509834/0
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