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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Evakuieren eines Rohrleitungssystems gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Evakuieren eines Rohrleitungssystems gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 14.
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Es zählt durch die
WO 2011/067618 A2 zum Stand der Technik, bei einer Dampfkraftanlage, insbesondere bei einer Dampfturbinenanlage, den Dampf in direktem Kontakt mit Kühlwasser zu kondensieren und den kondensierten Dampf und das Kühlwasser anschließend durch die Rohre eines luftgekühlten Wärmetauschers zu zirkulieren.
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Die Wärmetauscher sind bei so genannten Nass-/Trockenkühlungen oder so genannten Hybridkühlsystemen im Wesentlichen vertikal angeordnet, so dass das Kühlwasser, das allgemein auch als Fluid bezeichnet werden kann, über eine Pumpe so weit angehoben werden muss, dass es über den höchsten Punkt der Wärmetauscher fließt. Im Anschluss daran fließt das Fluid wieder abwärts. Zum Anfahren des Kühlsystems wird eine relativ hohe Pumpenleistung benötigt. Während des laufenden Betriebs kann die Pumpenleistung niedriger sein. Es zählt daher zum Stand der Technik, eine kleinere Pumpe einzusetzen, deren Leistung für den laufenden Betrieb ausreichend ist. Es müssen in diesem Fall jedoch zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um den maximal durch die Pumpe erreichbaren Füllstand innerhalb des Wärmetauschers beim Anfahren auf das gewünschte Niveau anzuheben. Dies erfolgt in der Praxis durch Reduzierung des Luftdrucks oberhalb des Füllstandes des Fluids. Es wird aus diesem Grund an dem höchsten Punkt des Wärmetauschers oder an einer an den Wärmetauscher angeschlossenen Auslassleitung eine Vakuumpumpe angeschlossen. Diese Vakuumpumpe hilft nicht nur, das Niveau des Fluids während des Anfahrens anzuheben. Sie sorgt auch während des laufenden Betriebs dafür, dass aus dem Fluid austretende Gase, die sich im höchsten Punkt des Wärmetauschers bzw. der Auslassleitung sammeln, abgesaugt werden, so dass das gewünschte Fluidniveau erhalten bleibt und die Strömung nicht abreißt.
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Da die Vakuumpumpe ständig läuft, benötigt sie dauerhaft Energie. Der Energiebedarf der Vakuumpumpe wirkt sich negativ auf den Kraftwerkwirkungsgrad aus. Zudem handelt es sich bei der Pumpe um ein Verschleißteil, das regelmäßiger Wartung bedarf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Evakuierung eines Rohrleitungssystems, bei welchem im oberen Bereich des Rohrleitungssystems zur Evakuierung ein Unterdruck aufgebracht wird, zu vereinfachen und zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine Anordnung zum Evakuieren eines Rohrleitungssystems, welche das vorstehend geschilderte Problem löst, ist Gegenstand des Patentanspruchs 14.
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Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Evakuieren eines Rohrleitungssystems umfasst das Rohrleitungssystem eine Steigleitung und eine Fallleitung, wobei Steigleitung und Fallleitung über eine Kopfleitung miteinander verbunden sind. Die Füllhöhe in der Steigleitung wird durch Erzeugen einen Unterdrucks an der Kopfleitung angehoben, bis ein Fluid aus der Steigleitung über die Kopfleitung in die Auslassleitung fließt. Hierzu ist an die Kopfleitung eine Saugleitung angeschlossen. Der Unterdruck in der Saugleitung und dadurch in der Kopfleitung wird durch Ablassen eines Fluids aus einem Fluidreservoir erzeugt. Fällt der Füllstand im Fluidreservoir, sinkt bei konstantem Volumen des Fluidreservoirs der Druck oberhalb des Fluids. Der sinkende Druck überträgt sich über die Saugleitung und die Kopfleitung auf die Steigleitung und führt dazu, dass der Füllstand des Fluids in der Steigleitung steigt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist keine Evakuierungseinrichtung in Form einer Saugpumpe erforderlich. Es wird keine Energie benötigt, um die Evakuierungseinrichtung kontinuierlich zu betreiben. Dadurch entfällt ein Verschleißteil.
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Das Fluidreservoir muss ausreichend groß sein, um bei Ablassen des Fluids einerseits den nötigen Unterdruck zu erzeugen und um andererseits den Unterdruck lange genug aufrechterhalten zu können, bevor das Fluidreservoir entleert ist. Das Fluid in dem Fluidreservoir ist vorzugsweise dasselbe Fluid, das durch das Rohrleitungssystem geleitet wird.
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Bei dem Fluidreservoir kann es sich um ein insbesondere senkrecht stehendes Rohr handeln, das einen hinreichend großen Querschnitt aufweist. Das Saugrohr selbst kann als Fluidreservoir dienen. Das Saugrohr kann hierzu einen unteren, als Fluidreservoir dienenden Höhenbereich besitzen, der einen größeren Querschnitt besitz, als ein oberer Höhenbereich, der nur zum Druckausgleich mit der Kopfleitung verbunden ist.
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Das Fluidreservoir kann auch ein separater Tank sein, der über die Saugleitung mit wesentlich geringerem Querschnitt mit der Auslassleitung verbunden ist. Von dem Tank selber kann wiederum eine Leitung zu einem tiefer liegenden Auslass führen, über welchen das Fluid aus der Leitung, und mithin aus dem Fluidreservoir, abgelassen wird.
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Im Rahmen der Erfindung werden Mittel zum Sperren einer Leitung unabhängig von ihrer konstruktiven Ausgestaltung als Ventil bezeichnet. Ein Ventil kann daher je nach Art des Verschlussteils z.B. ein Kugel-, Kolben oder Tellerventil sein, aber auch ein Schieber oder eine Klappe.
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Das Verfahren zum Befüllen des Fluidreservoirs läuft vorzugsweise folgendermaßen ab:
Um zu verhindern, dass das Fluid aus dem Fluidreservoir heraus fließt, wird zunächst ein Ablassventil unterhalb des Fluidreservoirs geschlossen. Zum Befüllen des Fluidreservoirs muss ein Befüllventil geöffnet werden. Während des Befüllens wird Luft aus dem Fluidreservoir verdrängt. Diese Luft muss entweichen. Hierzu kann entweder ein Entlüftungsventil unmittelbar am Fluidreservoir geöffnet werden. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, ein Entlastungsventil zu öffnen, über welches die Saugleitung entlüftet wird. Das Entlastungsventil befindet sich bevorzugt am höchsten Punkt der Saugleitung.
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Das Befüllen des Fluidreservoirs erfolgt vorzugsweise während das Rohrleitungssystem zumindest teilweise gefüllt ist. Das Fluidreservoir sollte vorzugsweise bis zu derselben Füllhöhe befüllt sein. Das ist problemlos mittels derselben Pumpe möglich, welche auch das Rohrleitungssystem bis zur ersten Füllhöhe befüllt.
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Nach dem Befüllen des Fluidreservoirs besteht die Möglichkeit, das Rohrleitungssystem zu evakuieren. Hierzu wird ein Entlastungsventil, über welches die Saugleitung entlüftet wird, geschlossen. Zudem wird das Befüllventil zum Befüllen des Fluidreservoirs geschlossen. Anschließend wird ein oberes Sperrventil, über welches die Saugleitung mit der Fallleitung verbunden ist, geöffnet. Schließlich wird das Ablassventil zum Ablassen von Fluid aus dem Fluidreservoir geöffnet. Die Ablassleitung besitzt eine Ablassöffnung die unterhalb eines Fluidspiegels in einem Auffangbehälter liegt. Dadurch wird verhindert, dass Luft von unten über die Ablassleitung in das Rohrleitungssystem strömt. Das Fluid strömt nun aus und die Füllhöhe innerhalb des Fluidreservoirs sinkt. Dadurch wird in dem Gasraum oberhalb des Fluidreservoirs ein Unterdruck erzeugt. Dieser Unterdruck hebt den Füllstand innerhalb des Rohrleitungssystems bis zum Erreichen der Kopfleitung an, so dass das Fluid über die Kopfleitung in die Fallleitung fließt.
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Nach dem Evakuieren wird das obere Sperrventil, über welches die Saugleitung mit der Kopfleitung verbunden ist, wieder geschlossen. Ebenso wird das Ablassventil zum Ablassen von Fluid aus dem Fluidreservoir wieder geschlossen. Zum erneuten Befüllen des Fluidreservoirs kann nun das Befüllventil wieder geöffnet werden. Durch den anliegenden Pumpendruck bzw. das Restvakuum oberhalb des Fluidreservoirs wird weiteres Fluid in das Fluidreservoir befördert. Spätestens wenn der Druck in der Saugleitung über den Umgebungsdruck steigt, wird das Entlastungsventil geöffnet, so dass ein weiteres Befüllen des Fluidreservoirs bis zur gewünschten Füllhöhe möglich ist. Anschließend steht das Fluidreservoir nach dem Schließen des Befüllventils für eine weitere Evakuierung des Wärmetauschers zur Verfügung.
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Ein unteres Absperrventil zwischen der Saugleitung und dem Fluidreservoir ermöglicht es, das Vakuum in der Saugleitung aufrecht zu erhalten, während das Fluidreservoir unabhängig vom Druck in der Saugleitung wieder befüllt wird. Das hat den Vorteil, dass zur Herstellung des Strömungspfads in der Kopfleitung mehrere aufeinander folgende Evakuierungsschritte durchgeführt werden können, ohne dass der Unterdruck in der Saugleitung fällt. Auch kann das Fluidreservoir bei dieser Vorgehensweise kleiner sein, da ohne Druckverlust in mehreren Schritten evakuiert werden kann.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, in regelmäßigen Abständen eine Evakuierung durchzuführen bzw. auch kontinuierlich einen Unterdruck aufrechtzuerhalten. Wichtig ist hierbei, dass das Fluid aus dem Fluidreservoir unterhalb eines bestimmten Flüssigkeitsspiegels ausgelassen wird, so dass nicht von unten Luft in das Fluidreservoir nachströmt.
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Das Fluidreservoir wird beispielsweise über die Steigleitung oder die Fallleitung des Rohrleitungssystems befüllt. Selbstverständlich kann das Fluidreservoir auch über andere Fluidquellen gespeist werden.
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Das Rohrleitungssystem dient insbesondere zur Versorgung einer Durchströmeinheit. Die Durchströmeinheit dient als Effektträger, mittels welchem eine Eingangsgröße des die Durchströmeinheit durchströmenden Fluids auf eine Ausgangsgröße überführt wird. Die Eingangsgröße kann insbesondere eine thermodynamische Zustandsgröße sein, insbesondere die Temperatur. Es kann sich bei der Durchströmeinheit in diesem Fall um einen Wärmetauscher handeln. Das Fluid in dem Wärmtauscher kann gekühlt oder erwärmt werden. Die Durchströmeinheit kann aber auch ein Filter oder eine Verwirbelungseinrichtung sein. Der Effekt der Durchströmeinheit ist im Rahmen der Erfindung nicht auf die Veränderung der Temperatur als Eingangsgröße beschränkt. Bevorzugt handelt es sich jedoch um einen Wärmetauscher zur Kühlung eines Fluids. Das Fluid aus dem Fluidreservoir fließt bevorzugt in eine Auffangtasse einer auf den (Trocken-)Wärmetauscher folgenden Nasskühlung. Zusammen mit dem Wärmetauscher als Trockenkühler ergibt sich eine so genannte Hybridkühlung. Darunter ist insbesondere ein Nass-Trocken-Kühlturm zu verstehen, der vor allem zu Vermeidung von sichtbaren Schwaden dient. Grundsätzlich lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren aber auch bei reinen Trockenkühlern ohne Nassteil anwenden.
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Das erfindungsgemäß Verfahren kommt insbesondere bei Dampfkraftanlagen, insbesondere Dampfturbinenanlagen, zum Einsatz. Die dort verwendeten Kühltürme, insbesondere Hybridkühltürme, besitzen eine relativ geringe Schalthäufigkeit, so dass gerade bei dieser Bauform von Kühltürmen bzw. Wärmetauschern eine unnötig hohe Pumpleistung entbehrlich ist und vielmehr mit dem Evakuieren des Wärmetauschers der notwendige Strömungsfaden einfach, kostengünstig und betriebssicher hergestellt werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der notwendige Druck im System aufrechterhalten werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 14 wurde hinsichtlich ihrer Funktionsweise vorstehend erläutert.
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Nachfolgend soll anhand der in den 1 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele ein möglicher Aufbau eines Kühlsystems und der Verfahrensablauf noch einmal veranschaulicht werden.
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Die Ausführungsbeispiele der 1 und 2 zeigen jeweils Rohrleitungssysteme mit Durchströmeinheiten 1 in Form von Wärmetauschern. Nachfolgend wird zum besseren Verständnis nur noch der Begriff Wärmetauscher stellvertretend für den Begriff Durchströmeinheit 1 verwendet.
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Die 1 zeigt einen Wärmetauscher 1 in vertikaler Anordnung. Der Wärmetauscher 1 besitzt ein unteres Ende 2 mit einem Einlass 3 für ein zu kühlendes Fluid. Das Fluid wird mittels einer Pumpe 4 über eine Steigleitung 5 dem Wärmetauscher 1 zugeführt. Der Wärmetauscher 1 ist der atmosphärischen Luft ausgesetzt, welche den Wärmetauscher 1 außenseitig umströmt. Die Luftbewegung kann durch Naturzug oder entsprechende Lüfter erzeugt werden.
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Der Wärmetauscher 1 besitzt an seinem oberen Ende 6 einen Auslass 7, aus dem das zu kühlende Fluid in eine oberhalb der Steigleitung 5 verlaufende Kopfleitung 24 und von dort in eine nach unten gerichtete Fallleitung 8 einströmt. Die Fallleitung 8 mündet in ein Verteilerrohr 9. Das Verteilerrohr 9 dient dazu, das Fluid über Düsen 10 zu verteilen und dadurch über den unmittelbaren Kontakt mit der Atmosphäre zu kühlen. Das auf diese Weise gekühlte Fluid wird in einer schematisch angedeuteten Auffangtasse 11 gesammelt und über einen Kreislauf wieder der Pumpe 4 zugeführt. Das ist der Nassteil 21 der Anordnung. Der Trockenteil 22 wird im Wesentlichen durch den Wärmetauscher 1 gebildet.
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In den Kreislauf können Wärmequellen, wie beispielsweise ein Dampferzeuger, eingegliedert sein, so dass die Temperatur des Fluids wieder angehoben wird. Das Fluid wird also im Kreislauf befördert. Die Pumpe 4 speist hierbei gleichzeitig den aus dem Wärmetauscher 1 bestehenden Trockenteil 22 der Hybridkühleinrichtung sowie das im Nassteil 21 angeordnete Verteilerrohr.
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Die Fluidmengenverteilung zwischen dem Trockenteil 22 und dem Nassteil 21 wird über eine Drossel 12 gesteuert, die sich in einer Verbindungsleitung 23 befindet, welche sich zwischen der Steigleitung 5 und der Fallleitung 8 befindet.
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Bei diesem Kreislaufsystem bilden sich im oberen Bereich des Rohrleitungssystems Gasansammlungen, die evakuiert werden müssen. Hierzu ist an die Kopfleitung 24 eine Saugleitung 13 angeschlossen. Die Saugleitung 13 ist über ein oberes Sperrventil 14 gegenüber der Fallleitung 8 absperrbar. Zudem befindet sich oberhalb des oberen Sperrventils 14 ein zur Atmosphäre hin zu öffnendes Entlastungsventil 15.
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Die Saugleitung 13 mündet in ein Fluidreservoir 16, das über eine Ablassleitung 17 mit einem Ablassventil 18 am unteren Ende in die Auffangtasse 11 mündet. Das untere Ende der Ablassleitung 17 liegt unterhalb des Füllstandes F1 des Fluids in der Auffangtasse 11, damit von unten keine Luft in die Anordnung eindringt. Das Fluidreservoir 16 befindet sich in einer Höhe, die unterhalb der Höhe des Wärmetauschers 1 liegt.
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Die Saugleitung 13, das Fluidreservoir 16 und die Ablassleitung 17 befinden sich also in unterschiedlichen Höhen übereinander. Insgesamt dienen sie zur Aufnahme des Fluids, das in dem Kreislauf gekühlt werden soll. Zum Befüllen des Fluidreservoirs 16 wird ein Befüllventil 19 geöffnet, das sich bei diesem Ausführungsbeispiel in einer Befüllleitung 20 befindet, welche zwischen der Saugleitung 13 und der Fallleitung 8 angeordnet ist. Die Befüllleitung 20 bzw. das Befüllventil 19 befinden sich unterhalb einer Füllhöhe H1. Die Füllhöhe H1 bezeichnet die maximale Füllhöhe, welche ohne Evakuierung des Wärmetauschers 1 durch die Leistung der Pumpe 4 erreicht werden kann. Die Füllhöhe H1 kann auch außerhalb des Höhenbereichs des Wärmetauschers 1 liegen.
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Wenn das Fluidreservoir 16 befüllt ist, kann das Befüllventil 19 geschlossen werden. Selbstverständlich ist während des Befüllens auch das Ablassventil 18 an der Ablassleitung 17 geschlossen. Da beim Befüllen des Fluidreservoirs 16 Luft aus dem Fluidreservoir nur nach oben entweichen kann, ist das Entlastungsventil 15 am oberen Ende der Saugleitung 13 zur Atmosphäre hin offen.
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Die Füllhöhe H1 kann durch Anlegen eines Vakuums in bekannter Weise angehoben werden. Das erfolgt erfindungsgemäß jedoch nicht durch eine Evakuierungseinrichtung in Form einer Pumpe, sondern durch Öffnen des Sperrventils 14, über welche die Saugleitung mit der Fallleitung 8 kommuniziert. Wenn nun das Ablassventil 18 geöffnet und das Entlastungsventil 15 geschlossen wird, führt die Fluidsäule im Fluidreservoir 16 dazu, dass der von unten auf die Öffnung der Ablassleitung 17 wirkende atmosphärische Druck überwunden wird und Fluid aus dem Fluidreservoir 16 ausströmt. Es entsteht oberhalb des Fluids ein Unterdruck, der so groß ist, dass die Füllhöhe H1 im Wärmetauscher 1 über die zur Veranschaulichung eingezeichnete Füllhöhe H2 bis zur Füllhöhe H3 am oberen Sperrventil 14 angehoben wird. Spätestens wenn diese Füllhöhe H3 erreicht wurde, strömt das Fluid aus dem Wärmetauscher 1 über die Kopfleitung 24 selbsttätig weiter in die nach unten weisende Fallleitung 8. Da zuvor auch das Fluidniveau innerhalb der Fallleitung 8 angehoben worden ist, schließt sich der Fluidkreislauf und das Fluid strömt selbsttätig über die Kopfleitung 24.
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Gegebenenfalls bilden sich während des laufenden Betriebs weitere Gase, die dazu führen, dass sich in der Kopfleitung 8 eine Gasblase bildet. Durch das Öffnen des Sperrventils 14 kann in diesem Fall nachevakuiert und das Gas aus der Kopfleitung 24 entfernt werden.
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Bevor das obere Sperrventil 14 geöffnet wird, kann durch ein Messmittel sichergestellt werden, dass innerhalb der Saugleitung 13 bzw. innerhalb des Fluidreservoirs 16 ein hinreichender Füllstand herrscht. Zur Veranschaulichung, dass gleichzeitig mit dem Ansteigen der Füllhöhe H1 auf die Füllhöhe H3 der Füllstand innerhalb der Saugleitung 13 fällt, sind die entsprechenden korrespondierenden Füllstände H1', H2' und H3' eingezeichnet.
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Bei geschlossenem oberen Sperrventil 14 und geschlossenem Ablassventil 18 kann das Entlastungsventil 15 erneut geöffnet werden, um bei ebenfalls geöffnetem Befüllventil 19 das Fluidreservoir 16 wieder bis zum gewünschten Füllstand zu füllen.
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Wenn anschließend das Befüllventil 19 und das Entlastungsventil 15 geschlossen werden, kann das Ablassventil 18 geöffnet werden. Durch Öffnen des Sperrventils 14 kann eine weitere Evakuierung erfolgen.
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Die Evakuierung des Wärmetauschers 1 ist kostengünstig, verschleißarm, erfordert reduzierte Investitionskosten, verringert den Wartungsaufwand und verbessert die Zuverlässigkeit einer solchen Wärmetauscheranordnung, insbesondere bei Nass-Trocken-Kühltürmen oder auch bei Trockenkühltürmen.
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Die Ausführungsform der 2 entspricht in weiten Teilen der Ausführungsform der 1, so dass für alle funktionsgleichen Komponenten die bereits eingeführten Bezugszeichen übernommen werden.
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Im Unterschied zur 1 ist das Fluidreservoir 26 kein separater Tank, sondern Bestandteil der Saugleitung 13. Die Saugleitung 13 besitzt nun einen unteren Höhenabschnitt 27, der im Durchmesser gegenüber dem oberen Höhenabschnitt 28 der Saugleitung 13 erweitert ist, um das notwendige Fluidvolumen aufnehmen zu können, das erforderlich ist, um einen hinreichenden Unterdruck zu erzeugen.
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Ein weiterer Unterschied ist, dass die Saugleitung 13 durch ein unteres Sperrventil 25 gegenüber dem Fluidreservoir 26 sperrbar ist. Das untere Sperrventil 25 wird geschlossen, wenn eine erste Evakuierung abgeschlossen ist und das Fluidreservoir 26 wieder befüllt werden muss. Ist das Befüllen abgeschlossen und das Befüllventil 19 geschlossen, kann das untere Sperrventil 25 wieder geöffnet werden und es kann erneut ein Vakuum aufgebaut werden, indem Fluid aus dem Fluidreservoir 26 abgelassen wird. Diese Konfiguration mit dem unteren Sperrventil 25 ist ebenso bei der Ausführungsform der 1 möglich.
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Ein weiterer Unterschied ist, dass die Befüllleitung 20 nunmehr mit der Steigleitung 5 und nicht mit der Fallleitung 8 verbunden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauscher (Durchströmeinheit)
- 2
- unteres Ende
- 3
- Einlass
- 4
- Pumpe
- 5
- Steigleitung
- 6
- oberes Ende
- 7
- Auslass
- 8
- Fallleitung
- 9
- Verteilerrohr
- 10
- Düse
- 11
- Auffangtasse
- 12
- Drossel
- 13
- Saugleitung
- 14
- oberes Sperrventil
- 15
- Entlastungsventil
- 16
- Fluidreservoir
- 17
- Fallleitung
- 18
- Ablassventil
- 19
- Befüllventil
- 20
- Befüllleitung
- 21
- Nassteil
- 22
- Trockenteil
- 23
- Verbindungsleitung
- 24
- Kopfleitung
- 25
- unteres Sperrventil
- 26
- Fluidreservoir
- 27
- unterer Höhenabschnitt
- 28
- oberer Höhenabschnitt
- F1
- Füllstand
- H1
- Füllstand
- H2
- Füllstand
- H3
- Füllstand
- H1'
- Füllstand
- H2'
- Füllstand
- H3'
- Füllstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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