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Die Erfindung betrifft eine Wärmeträgerölanlage mit einem Ölversorgungskreislauf für Wärmeträgeröl, der eine Öl-Fördereinrichtung, einen Öl-Erhitzer sowie einen Wärmeverbraucher aufweist, wobei die Öl-Fördereinrichtung einen Öl-Versorgungsstrom erzeugt, welcher in dem Öl-Versorgungskreislauf zirkuliert.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmeträgerölanlage der genannten Art.
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Wärmeträgerölanlagen sind aus einer Vielzahl industrieller Anwendungen bekannt. An derartigen Anlagen wird einem Wärmeverbraucher, beispielsweise einer Spanplattenpresse, mittels Wärmeträgeröl, welches in einem Öl-Versorgungskreislauf zirkuliert, Wärme zugeführt. Als Wärmeträgeröl („Thermoöl”, „Thermalöl”) verwendet werden vorzugsweise Mineralöle und synthetische Öle. Ein Öl-Erhitzer der Wärmeträgerölanlage erhitzt das Wärmeträgeröl auf Vorlauftemperaturen, die 300°C bis 400°C betragen können. Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen kommt es in dem Wärmeträgeröl mit der Zeit zur Bildung von leichtflüchtigen Ölbestandteilen, sogenannten „Leichtsiedern”. Das Ausmaß der Leichtsiederbildung ist insbesondere von dem verwendeten Wärmeträgeröl und von der Betriebstemperatur der Anlage abhängig. Leichtsieder verdampfen und entzünden sich bereits bei niedrigen Temperaturen (unter 100°C) und bewirken eine Absenkung des Flammpunktes des Wärmeträgeröls insgesamt. Insofern bilden Leichtsieder ein Sicherheitsrisiko beim Betrieb von Wärmeträgerölanlagen. Darüber hinaus können Leichtsieder in Pumpen, die als Öl-Fördereinrichtungen dienen, zu Kavitationserscheinungen führen und dadurch die Betriebssicherheit der Wärmeträgerölanlage beeinträchtigen. In Anbetracht der mit der Existenz von Leichtsiedern verbundenen Negativerscheinungen, besteht die Notwendigkeit, den Leichtsiedergehalt des Wärmeträgeröls von Wärmeträgerölanlagen auf einem möglichst niedrigen Niveau zu halten.
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Zu diesem Zweck wird derzeit das Wärmeträgeröl von Wärmeträgerölanlagen nach einer bestimmen Anlagen-Betriebszeit gewechselt. Ergänzend oder alternativ ist es üblich, Leichtsieder in gewissen Zeitabständen durch thermische Behandlung des Wärmeträgeröls in dem Ausdehnungsgefäß der Anlage abzuscheiden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Entfernung von Leichtsiedern aus Wärmeträgerölanlagen zu vereinfachen.
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Eine Vorrichtung zur Abtrennung von suspendierten und gelösten Substanzen aus einer Flüssigkeit, insbesondere aus Transformatorenöl, ist offenbart in
AT 258814 B . Die bekannte Vorrichtung weist einen von einer Sammelkammer umgebenen Rotor auf. Mittels des Rotors werden aus der aufzubereitenden Flüssigkeit die suspendierten Substanzen abgetrennt. Anschließend gelangt die Flüssigkeit mit den darin gelösten Substanzen in die Sammelkammer. Dort werden die gelösten Substanzen verdampft und anschließend abgeführt. Die aufbereitete Flüssigkeit wird in der Sammelkammer aufgefangen und strömt schließlich aus der Sammelkammer ab.
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Erfindungsgemäß gelöst wird die vorstehend angegebene Aufgabe durch die Wärmeträgerölanlage gemäß Patentanspruch 1 sowie durch das Betriebsverfahren gemäß Patentanspruch 12.
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Im Falle der Erfindung ist bzw. wird zu dem Öl-Versorgungskreislauf der Wärmeträgerölanlage ein Leichtsiederabscheider, d. h. eine Vorrichtung zum Entfernen wenigstens eines leichtflüchtigen Ölbestandteils aus dem Öl-Versorgungsstrom, parallel geschaltet. „Leichtflüchtig” in diesem Sinne sind Ölbestandteile, deren Siedepunkt unterhalb der Temperatur des in dem Öl-Versorgungskreislauf zirkulierenden Wärmeträgeröls liegt.
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Dem Leichtsiederabscheider wird ein Öl-Teilstrom zugeführt, der zuvor aus dem Öl-Versorgungskreislauf abgezweigt worden ist. Dem aufzubereitenden Öl-Teilstrom entzieht der Leichtsiederabscheider die schädlichen Ölbestandteile und ein aufbereiteter Ölstrom kann schließlich zu dem Öl-Versorgungskreislauf rückgeführt werden. Erfindungsgemäß besteht folglich dauerhaft die Möglichkeit, in dem Öl-Versorgungskreislauf von Wärmeträgerölanlagen zirkulierendes Wärmeträgeröl aufzubereiten. Dadurch können die Arbeitssicherheit und die Betriebssicherheit der Wärmeträgerölanlage dauerhaft gewährleistet werden. Dabei gestattet das erfindungsgemäße Konzept auch das Nachrüsten bestehender Wärmeträgerölanlagen mit einem Leichtsiederabscheider.
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Besondere Ausführungsarten der in den unabhängigen Patentansprüchen beschriebenen Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Die erfindungsgemäß bestehende Möglichkeit der Aufbereitung des in dem Öl-Versorgungskreislauf zirkulierenden Wärmeträgeröls wird vorzugsweise permanent genutzt. Dementsprechend ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der aufzubereitende Öl-Teilstrom kontinuierlich aus dem Öl-Versorgungskreislauf abgezweigt und dass kontinuierlich ein aufbereiteter Ölstrom nach der Aufbereitung zu dem Öl-Versorgungskreislauf rückgeführt wird (Patentanspruch 2).
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Aufgrund der hohen Temperatur des Wärmeträgeröls in der Vorlaufleitung des Wärmeverbrauchers von Wärmeträgerölanlagen, bilden sich dort Leichtsieder in besonders großem Umfang. Im Falle einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung wird daher der aufzubereitende Öl-Teilstrom im Vorlauf des Wärmeverbrauchers aus dem Öl-Versorgungskreislauf abgezweigt (Patentanspruch 3). Eine Abzweigung von aufzubereitendem Wärmeträgeröl an anderer Stelle des Öl-Versorgungskreislaufs ist gleichwohl denkbar.
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Die Rückführung des aufbereiteten Ölstroms zu dem Öl-Versorgungskreislauf erfolgt zweckmäßigerweise im Rücklauf des Wärmeverbrauchers (Patentanspruch 4). Dadurch ist sichergestellt, dass die an dem Wärmeverbraucher zur Verfügung stehende Temperatur des Wärmeträgeröls nicht durch Zufuhr von aufbereitetem, verhältnismäßig kühlem Wärmeträgeröl abgesenkt wird.
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Wesentlicher Bestandteil des Leichtsiederabscheiders erfindungsgemäßer Wärmeträgerölanlagen ist eine Trennvorrichtung, die dazu dient, den aufzubereitenden Öl-Teilstrom in die abzuscheidenden Leichtsieder und ein flüssiges aufbereitetes Ölvolumen zu trennen (Patentanspruch 5).
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Trennvorrichtungen unterschiedlicher Bauart kommen in Frage. Aufgrund ihrer konstruktiv einfachen Gestaltung und ihrer dessen ungeachtet hohen Funktionssicherheit werden erfindungsgemäß Sprühentgaser bevorzugt (Patentanspruch 6). An dem Sprühentgaser wird der aufzubereitende Öl-Teilstrom zunächst unter hohen Druck gesetzt und anschließend durch Entspannung in gasförmige Leichtsieder und flüssiges aufbereitetes Wärmeträgeröl getrennt.
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Im Falle einer weiteren zweckmäßigen Erfindungsvariante gelangt das aufbereitete Wärmeträgeröl in einen Sammelbehälter des Leichtsiederabscheiders, von wo aus es über eine Rückführleitung wieder dem Öl-Versorgungskreislauf zugeführt wird (Patentanspruch 7). Auch die Rückführung von aufbereitetem Wärmeträgeröl erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise kontinuierlich.
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Wärmeträgerölanlagen der erfindungsgemäßen Art sind üblicherweise mit einem Ausdehnungsbehälter für Wärmeträgeröl ausgerüstet. In diesem Ausdehnungsbehälter befinden sich ein Ölvolumen sowie ein Gasraum.
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Im Falle einer weiteren bevorzugten Erfindungsbauart stehen das Ölvolumen des Ausdehnungsbehälters mit dem Ölvolumen des Sammelbehälters des Leichtsiederabscheiders und der Gasraum des Ausdehnungsbehälters mit einem Gasraum in dem Sammelbehälter des Leichtsiederabscheiders in Verbindung (Patentanspruch 8). Infolgedessen bilden der Ausdehnungsbehälter der Wärmeträgerölanlage und der Sammelbehälter des Leichtsiederabscheiders ein System nach Art von kommunizierenden Röhren. Pegelt sich das Ölvolumen in dem Ausdehnungsbehälter ein, so ist damit ein entsprechendes Einpegeln des Ölvolumens in dem Sammelbehälter des Leichtsiederabscheiders verbunden. Durch Steuerung des Druckes in dem Gasraum des Ausdehnungsbehälters kann ein Überlaufen des Sammelbehälters des Leichtsiederabscheiders vermieden werden. Eine einzige Druckquelle reicht dabei aus, um sowohl den Druck in dem Ausdehnungsbehälter als auch den Druck in dem Sammelbehälter des Leichtsiederabscheiders einzustellen.
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Im Interesse möglichst einfacher konstruktiver Verhältnisse ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Ölvolumina des Ausdehnungsbehälters und des Sammelbehälters des Leichtsiederabscheiders über den Öl-Versorgungskreislauf miteinander in Verbindung stehen (Patentanspruch 9).
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Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn das Ölvolumen des Sammelbehälters des Leichtsiederabscheiders an einer Stelle an den Öl-Versorgungskreislauf angeschlossen ist, die an der Saugseite der Öl-Fördereinrichtung näher an dieser liegt als der Anschluss des Ölvolumens des Ausdehnungsbehälters (Patentanspruch 10). Infolge dieser Anordnung herrscht an dem Anschluss des Sammelbehälters des Leichtsiederabscheiders ein niedrigerer Druck als an dem Anschluss des Ausdehnungsbehälters. Die Druckdifferenz ist zwar verhältnismäßig gering, aber gleichwohl ausreichend, um aufbereitetes Öl aus dem Sammelbehälter des Leichtsiederabscheiders in den Öl-Versorgungskreislauf zurückströmen zu lassen.
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Eine weitere wesentliche Komponente erfindungsgemäßer Wärmeträgerölanlagen ist ein Kondensator, der eine Strömungsverbindung mit der Trennvorrichtung des Leichtsiederabscheiders besitzt (Patentanspruch 11). An der Trennvorrichtung anfallende gasförmige Leichtsieder werden dem Kondensator über die Strömungsverbindung zugeführt und können dort zu einer Leichtsiederflüssigkeit kondensieren. Der Kondensator kann wassergekühlt (bei heißen Klimabedingungen) oder luftgekühlt (bei kühlen Umgebungstemperaturen) ausgeführt werden. Das Entlüften und Entleeren des Kondensators kann manuell, aber auch über automatisch gesteuerte Ventile durchgeführt werden.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand einer beispielhaften schematischen Darstellung einer Wärmeträgerölanlage näher erläutert.
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Abgebildet ist eine Wärmeträgerölanlage 1 mit einem Öl-Versorgungskreislauf 2, in welchen eine Pumpstation 3 als Öl-Fördereinrichtung, ein Öl-Erhitzer 4 sowie ein Wärmeverbraucher 5 eingeschaltet sind. Die Pumpstation 3 umfasst zwei Kreiselpumpen herkömmlicher Bauart, mittels derer ein Wärmeträgeröl, im gezeigten Beispielsfall ein mineralisches Thermoöl, in dem Öl-Versorgungskreislauf 2 als Öl-Versorgungsstrom umlaufend gefördert wird. Der Öl-Erhitzer 4 kann mit fossilen Brennstoffen oder mit Produktionsreststoffen beheizt werden. Er erhitzt das Wärmeträgeröl auf eine Temperatur zwischen 280°C und 350°C. Mit dieser Vorlauftemperatur gelangt das Wärmeträgeröl von dem Öl-Erhitzer 4 zu dem Wärmeverbraucher 5, hier einer Spanplattenpresse. An dem Wärmeverbraucher 5 wird dem Wärmeträgeröl Wärme entzogen. Die Rücklauftemperatur des Wärmeträgeröls nach Verlassen des Wärmeverbrauchers 5 liegt zwischen 250°C und 300°C.
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Parallel zu dem Öl-Versorgungskreislauf 2 ist ein Leichtsiederabscheider 6 geschaltet. Dieser dient ausschließlich dazu, leichtflüchtige Ölbestandteile, d. h. Ölbestandteile mit einem Siedepunkt, der unterhalb der Vorlauftemperatur und auch unterhalb der Rücklauftemperatur des Wärmeträgeröls liegt, aus dem in dem Öl-Versorgungskreislauf 2 als Öl-Versorgungsstrom zirkulierenden Wärmeträgeröl zu entfernen. Über eine Zulaufleitung 7 mit einem Drosselventil 8 sowie über eine Rückführleitung 9 ist der Leichtsiederabscheider 6 permanent auf den Öl-Versorgungskreislauf 2 aufgeschaltet.
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In dem gezeigten Beispielsfalls wird mit Hilfe des Drosselventils 8 im Vorlauf des Wärmeverbrauchers 5, d. h. in Strömungsrichtung zwischen dem Öl-Erhitzer 4 und dem Wärmeverbraucher 5, aus dem Öl-Versorgungsstrom in dem Öl-Versorgungskreislauf 2 permanent ein aufzubereitender Öl-Teilstrom abgezweigt und dem Leichtsiederabscheider 6 zugeleitet. Das Volumen des abgezweigten Öl-Teilstroms kann durch entsprechende Einstellung des Drosselventils 8 flexibel gewählt werden.
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Alternativ wäre ein Anschluss der Zulaufleitung 7 an den Öl-Versorgungskreislauf 2 in Strömungsrichtung zwischen dem Wärmeverbraucher 5 und dem Öl-Erhitzer 4 (Rücklauf des Wärmeverbrauchers 5) und dabei insbesondere zwischen der Pumpstation 3 und dem Öl-Erhitzer 4, denkbar. In der Abbildung ist dieser Fall (Zulaufleitung 7') gestrichelt angedeutet. Bei Anschluss der Zulaufleitung im Rücklauf des Wärmeverbrauchers 5 ist die Temperatur des Wärmeträgeröls bei der Leichtsiederabscheidung niedriger und es werden daher weniger Ölbestandteile abgeschieden als bei Anschluss der Zulaufleitung 7 im Vorlauf des Wärmeverbrauchers 5. Werden weniger Ölbestandteile abgeschieden, reduziert sich der Wärmeträgerölverbrauch der Anlage.
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Nach Passieren des Drosselventils 8 wird der aufzubereitende Öl-Teilstrom einem Sprühentgaser 10 zugeführt. Ein Düsenrohr 11 des Sprühentgasers 10 ragt in einen Sammelbehälter 12 des Leichtsiederabscheiders 6. An dem Sprühentgaser 10 wird der diesem zugeführte Öl-Teilstrom zunächst unter einen hohen Druck gesetzt. Mit Austreten aus dem Düsenrohr 11 entspannt sich das zuvor unter hohen Druck gesetzte Öl und die leichtflüchtigen Öl-Bestandteile, die sogenannten „Leichtsieder”, gelangen in den gasförmigen Aggregatszustand, während die Ölbestandteile mit höherem Siedepunkt im flüssigen Zustand verbleiben und als aufbereitetes Öl-Volumen 13 in dem Sammelbehälter 12 gesammelt werden.
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Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des aufbereiteten Öl-Volumens 13 ist in dem Sammelbehälter 12 ein Gasraum 14 ausgebildet. Über eine Verbindungsleitung 15 ist der Gasraum 14 mit einem Gasraum 16 in einem Ausdehnungsbehälter 17 verbunden. Der Gasraum 16 ist einem Ölvolumen 18 von in dem Ausdehnungsbehälter 17 anstehendem Wärmeträgeröl benachbart. An den Gasraum 16 des Ausdehnungsbehälters 17 angeschlossen ist eine Druckquelle in Form einer Inertgasversorgung 19. Beispielhaft dargestellt ist eine Inertgaspumpe. Alternativ kann Inertgas aus einer Druckgasflasche oder aus einem Drucktank bereitgestellt werden.
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Mittels der Inertgasversorgung 19 werden der Gasraum 16 des Ausdehnungsbehälters 17 und die damit verbundenen Gasräume mit einem Inertgas, beispielsweise mit Stickstoffgas, beschickt. Der Druck im Innern der betreffenden Gasräume ist in dem dargestellten Beispielsfall auf 2 bar eingestellt.
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Gleichfalls miteinander verbunden sind das aufbereitete Ölvolumen 13 in dem Sammelbehälter 12 des Leichtsiederabscheiders 6 und das Ölvolumen 18 in dem Ausdehnungsbehälter 17. Diese Verbindung wird über den Öl-Versorgungskreislauf 2 hergestellt. Zu diesem Zweck münden sowohl die von dem Sammelbehälter 12 ausgehende Rückführleitung 9 des Leichtsiederabscheiders 6 als auch eine Anschlussleitung 20 des Ausdehnungsbehälters 17 im Rücklauf des Wärmeverbrauchers 5 in den Öl-Versorgungskreislauf 2. Sowohl ein Anschluss 21 der Rückführleitung 9 des Sammelbehälters 12 als auch ein Anschluss 22 der Anschlussleitung 20 des Ausdehnungsbehälters 17 liegen an der Saugseite der Pumpstation 3. Dabei ist der Anschluss 21 des Sammelbehälters 12 näher an der Pumpstation 3 angeordnet als der Anschluss 22 des Ausdehnungsbehälters 17. Infolgedessen herrscht an dem Anschluss 21 ein geringfügig kleinerer Druck als an dem Anschluss 22. Infolge der Druckdifferenz strömt das aufbereitete Ölvolumen 13 aus dem Sammelbehälter 12 des Leichtsiederabscheiders 6 zu dem Öl-Versorgungskreislauf 2 hin ab. In der Anschlussleitung 20 des Ausdehnungsbehälters 17 stellt sich aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse keine Ölströmung ein.
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Aufgrund der Verbindung der Gasräume 14 und 16 sowie der Ölvolumina 13 und 18 ergibt sich ein System nach Art kommunizierender Röhren. Ein Einpegeln des Ölvolumens 18 in dem Ausdehnungsbehälter 17 ist zwangsläufig verbunden mit einem Einpegeln des Ölvolumens 13 in dem Sammelbehälter 12. Ein Überlaufen des Sammelbehälters 12 wird verhindern. In unmittelbarer Nachbarschaft des Wärmeträgeröls steht in dem Sammelbehälter 12 und in dem Ausdehnungsbehälter 17 Inertgas an. Eine unerwünschte Oxidation des Wärmeträgeröls in dem Sammelbehälter 12 und in dem Ausdehnungsbehälter 17 wird dadurch vermieden.
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Außer mit dem Gasraum 16 des Ausdehnungsbehälters 17 ist der Gasraum 14 des Sammelbehälters 12 mit einem Kondensator 23 des Leichtsiederabscheiders 6 strömungsverbunden. Einer entsprechenden Strömungsverbindung zwischen dem Sammelbehälter 12 und dem Kondensator 23 ist das Bezugszeichen 24 zugeordnet. Auch in dem Kondensator 23 steht der in dem Gasraum 14 des Sammelbehälters 12 sowie in dem Gasraum 16 des Ausdehnungsbehälters 17 herrschende Druck an. Bei dem Kondensator 23 handelt es sich in dem dargestellten Beispielsfall um eine luftgekühlte Bauart. Alternativ wäre ein wassergekühlter Kondensator 23 denkbar.
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Über die Strömungsverbindung 24 gelangen gasförmige Leichtsieder, die an dem Sprühentgaser 10 in dem Sammelbehälter 12 anfallen, in den Kondensator 23, wo sie zumindest weitestgehend zu einer Leichtsiederflüssigkeit 25 kondensieren. Aufgrund der Kondensation von Leichtsiederflüssigkeit sinkt der Partialdruck der Leichtsieder in dem Gasraum des Kondensators 23. Infolgedessen strömen gasförmige Leichtsieder aus dem Gasraum 14 des Sammelbehälters 12 in den Kondensator 23 nach.
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Die kondensierte Leichtsiederflüssigkeit 25 wird von Zeit zu Zeit aus dem Kondensator 23 abgeführt und in einen Leichtsiederbehälter 26 geleitet. Zu diesem Zweck ist der Leichtsiederbehälter 26 über eine Ablassleitung 27 mit einem zeitgesteuerten Ventil 28 an den Kondensator 23 angeschlossen. In voreingestellten Zeitabständen öffnet das zeitgesteuerte Ventil 28 und Leichtsiederflüssigkeit 25 kann aus dem Kondensator 23 in den Leichtsiederbehälter 26 abströmen. Eine Behälterentlüftung 29 des Leichtsiederbehälters 26 ist in der Abbildung angedeutet.
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Bei geöffnetem Ventil 28 können aus dem Kondensator 23 neben Leichtsiederflüssigkeit 25, die in den Leichtsiederbehälter 26 abströmt, auch noch nicht kondensierte und dementsprechend gasförmige Leichtsieder abgeführt werden. Die gasförmigen Leichtsieder werden gemeinsam mit Inertgas aus dem Gasraum des Kondensators 23 über einen Gasaustritt 30 abgeblasen.
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Durch die an der Wärmeträgerölanlage 1 realisierte permanente Leichtsiederabscheidung wird der Flammpunkt des in dem Öl-Versorgungskreislauf 2 zirkulierenden Wärmeträgeröls hoch gehalten. Dadurch wird die Arbeits- und auch die Betriebssicherheit der Wärmeträgerölanlage 1 sichergestellt. Die Standzeit des Wärmeträgeröls verlängert sich deutlich.
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Grundsätzlich könnte die Wärmeträgerölanlage 1 auch ohne Inertgas und/oder ohne Überdruck in den Gasräumen 14, 16 betrieben werden. Im Extremfall könnte in den Gasräumen 14, 16 atmosphärische Luft unter Atmosphärendruck anstehen.
