DE2535805A1 - Vorrichtung zum zufuehren kryogener fluessigkeit - Google Patents

Vorrichtung zum zufuehren kryogener fluessigkeit

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Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN
PATENTANWÄLTE D-8000 MÖNCHEN 8T · ARABELLASTRASSE 4 · TELEFON (0811) 911087
27 o74
Vaccum Barrier Corporation, Woburn, Massachusetts / USA
Vorrichtung zum Zuführen kryogener Flüssigkeit
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Zuführen kryogener Flüssigkeit zu einem Wärmetauscher, in welchem die Flüssigkeit zur Erzielung einer Kühlwirkung verdampft wird, mit einem Abscheidebehälter zur Aufnahme von kryogener Flüssigkeit im unteren Teil und von Dampf der Flüssigkeit im oberen Teil, mit einer Zuführleitung zum Leiten kryogener Flüssigkeit vom Abscheidebehälter zu einem Wärmetauscher, welche mit einem Ende an den Abscheidebehälter zum Absaugen kryogener Flüssigkeit vom unteren Teil
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desselben und mit ihrem anderen Ende an einen Zuführdurchlass zum Ausstossen kryogener Flüssigkeit in dem Wärmetauscher angeschlossen ist, und mit einer Rückführleitung zum Zurückleiten verbrauchten Strömungsmittels zum Abscheidebehälter, welche mit einem Ende an einen Rückführdurchlass zur Aufnahme verbrauchten, etwas Dampf enthaltenden Strömungsmittels vom Wärmetauscher und mit seinem anderen Ende an den Abscheidebehälter angeschlossen ist.
Systeme zum Zuführen kryogener Flüssigkeit zum Kühlen verschiedener Teile von Geräten von einem zentralen Speicher sind häufig gegen Schwingungen und andere Unregelmässigkeiten bei der Zuführung des Kühlmittels empfindlich, was zu unbequemem und unwirksamem Arbeiten führt. Diese Systeme sind auch häufig unzufriedenstellend,wenn sie zur Versorgung eines Gerätes verwendet werden, welches für einen Zeitraum abgeschaltet wird, weil die Vorrichtung -zum Zuführen während dieser Abschaltzeiten mit Dampf gefüllt wird, so dass Verluste und unrege!massiges Arbeiten auftreten, wenn das zu kühlende Gerät wieder in Betrieb genommen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass sie während der Abschaltzeiten des an sie angeschlossenen Wärmetauschers oder dergleichen nicht mit Dampf der kryogenen Flüssigkeit gefüllt wird und ein schnelles erneutes Anfahren des Wärmetauschers ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Zuführ- und Rückführdurchlässe in einer niedrigeren Höhe als der Abscheidebehälter liegen, dass die Vorrichtung einen geschlossenen, selbstgesteuerten Kreislauf kryogener
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Flüssigkeit mit einem an die Durchlässe angeschlossenen Wärmetauscher bildet, und dass die Antriebskraft für den Kreislauf durch die Druckdifferenz zwischen kryogener Flüssigkeit in der Zuführleitung und verbrauchter Flüssigkeit in der Rückführleitung zugeführt wird.
In der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Zuführen kryogener Flüssigkeit zu einem Wärmetauscher wird die Flüssigkeit wegen ihrer Kühlwirkung verdampft. Die Vorrichtung umfasst eine Rückführleitung, um verbrauchtes Strömungsmittel, einschliesslich etwas Dampf, vom Wärmetauscher zu einem Abscheidebehälter zu leiten, und einen Rückführdurchlass zur Aufnahme verbrauchten Strömungsmittels von einem Wärmetauscher. Der Rückführdurchlass ist so angeschlossen, dass verbrauchtes Strömungsmittel in das untere Ende der Rückführleitung ausgestosser. wird. Die Vorrichtung bildet einen geschlossenen Kreislauf kryogener Flüssigkeit mit einem Wärmetauscher, wobei die Antriebskraft für den Kreislauf durch die Druckdifferenz zwischen kryogener Flüssigkeit in der Zuführleitung und verbrauchtem Strömungsmittel in der Rückführleitung zugeführt wird. Einige Ausführungsbeispiele gemäss der Erfindung enthalten eine Rückführleitung, welche in den Teil des Abscheidebehälters mündet, der Dampf enthält. Ein an seinem oberen Ende beschränkter Nebenstromdurchlass bildet einen Strömungsweg parallel zur Strömung durch den. Wärmetauscher von einem Zuführanschluss zu einem etwas höher liegenden Rückführanschluss. Die Strömung, wird in Aufwärtsrichtung zum Zuführanschluss und vom Zuführanschluss zum Nebenstromdurchlass geleitet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt:
Fig. 1 die Gesamtansicht einer Vorrichtung zum Zuführen kryogener Flüssigkeit zu einem Wärmetauscher, wobei einige Teile weggeschnitten sind, um innere Einzelheiten zu zeigen,
Fig. 2 einen Teil des Abscheidebehälters der Fig. 1 im Schnitt und die Anschlüsse der damit verbundenen Leitungen,
Fig. 3 eine Zuführarmatur der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, wobei Teile des äusseren Gehäuses weggeschnitten sind, um innere Einzelheiten zu zeigen, und
Fig. 4 eine vergrösserte Ansicht des Aufbaus innerhalb der in Fig. 3 gezeigten Zuführarmatur.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung 1o zum Zuführen enthält einen Abscheidebehälter 12, der in einen Vakuummantel 14 eingeschlossen ist und über eine Leitung 16, die im Abscheidebehälter 12 über ein automatisch gesteuertes VentLl 18 mündet, mit kryogener Flüssigkeit versorgt wird, welche typisch flüssiger Stickstoff ist. Die kryogene Flüssigkeit 2o wird im unteren Teil 22 des Abscheidebehälters 12 gehalten und der Dampf derselben nimmt den oberen Teil 32 des Abscheidebehälters 12 ein und wird über einen Abzug 24 abgelassen. Die Zuführleitung 26 saugt an ihrem oberen Ende 27 kryogene Flüssigkeit 2o aus dem Abscheidebehälter 12 und ist mit ihrem unteren Ende an die Zuführarmatur 28 angeschlossen. Eine Rückführleitung 3o, die als
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ringförmiger, zur Zuführleitung 26 koaxialer Durchlass ausgebildet ist, ist mit ihrem oberen Ende 31 an den oberen ,Dampf enthaltenden Teil 32 oberhalb der kryogenen Flüssigkeit 2o angeschlossen und mit ihrem unteren Ende 33 an die tiefer, liegende Zuführarmatur 28. Ein äuaseres, konzentrisches Rohr 34 bildet einen Vakuummantel zur Isolierung der Zuführ- und Rückführleitung gegnüber den Umgebungstemperaturen. Die Zuführarmatur 28 ist auf einer niedrigeren Höhe als der Abscheidebehälter 12 angeordnet, und die Zuführ- und Rückführleitungen sind vorteilhaft so angeordnet, dass sie eine ununterbrochene Abwärtsneigung vom Abscheidebehälter 12 zur Zuführarmatur 2 8 haben. Die Zuführarmatur 28 endet in einem Zuführdurchlass 38 und einem Rückführdurchlass 4o, wobei ein Wärmetauscher 42 so angeschlossen ist, dass er kryogene Flüssigkeit aus dem Zuführdurchlass 38 aufnimmt und verbrauchte Flüssigkeit durch den Rückführdurchlass 4o ausstösst.
Insbesondere die Fig. 3 und 4 zeigen Einzelheiten der Zuführarmatur. Innerhalb der Vakuumwand 48 sind drei im allgemeinen konzentrische Rohre angeordnet. Das äussere Rohr erstreckt sich in die Nähe des Bodens der Zuführarmatur Es hat einen geschlossenen Boden 54 und schliesst die kryogene Flüssigkeit ein. Ein inneres Rohr 5o bildet eine Fortsetzung der Zuführleitung 26 und liegt innerhalb des Rohres 56. Das innere Rohr 5o hat ein unteres, offenes Ende 62, das oberhalb des Bodens 54 des Rohres 52 angeordnet ist. Ein dazwischen angeordnetes Rohr 56 endet mit einem offenen Ende 58 und bildet eine weitere Fortsetzung der Zuführleitung 26. Es ist zwischen den Rohren 52 und 6o angeordnet. Durchlässe 7o durchdringen die Wand des Rohres 56 in der Nähe seines oberen Endes. Das Rohr 72 mündet mit einem Ende am oberhalb des Bodens 58 des Rohres 56 liegenden Zuführanschluss
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54 in der Wand des Rohres 52. Das Rohr 72 ist mit seinem anderen Ende an das Steuerventil 76 angeschlossen, das durch einen Bedienhebel 78 über eine lange Stange 8o betätigt wird. Das Rohr 82 verbindet das Steuerventil 76 mit dem Rückschlagventil 84 und das Rohr 86 verbindet das Rückschlagventil 84 mit dem Zuführdurchlass 38. Ein Rohr 9o mündet mit einem Ende am Rückführanschluss 91,der höher als der Anschluss 74 angeordnet ist, in die Wand des äusseren Rohres 52, und ist mit seinem anderen Ende an das Ventil 94 angeschlossen, das über eine Stange 98 über den Bedienhebel 96 gesteuert wird. Das Rohr 9o hat einen nach oben verlaufenden Abschnitt 92 zwischen dem Rückführanschluss 91 und dem Ventil 94. Das Rohr 1oo ist mit einem Ende an das Ventil 94 und mit seinem anderen Ende an dem Rückführdurchlass 4o angeschlossen.
Es ist leicht zu erkennen, dass der beschriebene Aufbau einen geschlossenen Weg für den Kreislauf kryogenen Stromungsmittels vom Abscheidebehälter 12 durch die Zuführleitung 26 und ihre Verlängerungen in den Rohren 6o und 56 zum Zuführanschluss 74, dann durch das Rohr 72, das Ventil 76, das Rohr 82, das Rückschlagventil 8o, das Rohr 86 und den Zuführdurchlass 38 zum wärmetauscher 42, und dann vom Wärmetauscher 42 über den Rückführdurchlass 4o, das Rohr 1oo, das Ventil 94 und das Rohr 9o zum Rückführanschluss 91, und dann durch die Rückfüh±leitiung 3o zurück zum Abscheidebehälter 12 bildet. Der Aufbau ist auch mit einem Nebendurchlass vom Zuführanschluss 74 zum Rückführanschluss 91 versehen, der parallel zum Weg durch den Wärmetauscher 42 verläuft. Dieser Nebendurchlass verläuft im einzelnen vom Zuführanschluss 74 durch den ringförmigen Raum zwischen den Rohren 52 und 56 und durch die Durchlässe 68 zum Rückführanschluss 91.
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Die Arbeitsweise der Vorrichtung zum Zuführen kryogenen Strömungsmittels, wie sie oben beschrieben wurde, wird zunächst in dem Fall betrachtet, wenn der Wärmetauscher an den Zuführ- und Rückführdurchlass angeschlossen ist, und genügend lange in Betrieb war, um ein stetiges Strömungsbild aufzubauen. Kryogenes Strömungsmittel wird mit etwas erhöhtem Druck über die Leitung 16 zugeführt und durch das Ventil 18 auf Atmosphärendruck gedrosselt, wenn es in den Abscheidebehälter 12 eintritt. Das Ventil 18 steuert automatisch die Zufuhr kryogenen Strömungsmittels, um im unteren Teil des Abscheidebehälters 12 Flüssigkeit und im oberen Teil des Behälters 12 einen Dampfraum aufrechtzuerhalten, überschüssiger Dampf wird durch den Abzug 24 abgelassen. Kryogene Flüssigkeit wird vom unteren Teil des Abscheidebehälters 12 abgesaugt und läuft dann entlang der Abwärtsneigung in der Zuführleitung 26 zur Zuführarmatur 28, in die es durch das Rohr 6o eintritt. Kryogene Flüssigkeit wird vom unteren Ende des Rohres 6o in das Rohr 56 ausgestossen, welches das Strömungsmittel in das Rohr 52 in der Nähe von dessen geschlossenem Boden ausstösst. Das Strömungsmittel fliesst dann nach oben in den ringförmigen Raum zwischen den Rohren 56 und 52 zum Zuführanschluss 74 und strömt dann durch das Rohr 72, das Ventil 76, das Rohr 82, das Rückschlagventil 84, das Rohr 86 und den Zuführdurchlass 38, um in den daran angeschlossenen Wärmetauscher 42 einzutreten. Das kryogene Strömungsmittel strömt durch den Wärmetauscher 42 und wird dort teilweise verdampft, um eine Kühlwirkung im Wärmetauscher herbeizuführen. Das vom Wärmetauscher 42 verbrauchte Strömungsmittel, welches nun ein Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf enthält, wird in den Rückführdurchlass 4o ausgestossen und strömt durch das Rohr 1oo, das Ventil 94, und das Rohr 9o zum Rückführanschluss 91. Das verbrauchte Strömungsmittel strömt dann durch den ringförmigen Raum innerhalb
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der Rückführleitung 3o zum Abscheidebehälter 12 zurück, wo es in den Dampf enthaltenden Raum oberhalb der kryogenen Flüssigkeit ausgestossen wird, welche den unteren Teil des Abscheidebehälters 12 einnimmt. Durch das Ausstossen des verbrauchten Stömungsmittels in den Dampf enthaltenden Raum, werden Dampfblasen in der Flüssigkeit vermieden und so sichergestellt, dass keine Blasen in die Zuführleitung gesaugt werden. Die Druckdifferenz zwischen dem vollständig flüssigen Material in der Zuführleitung 26 und dem eine geringere Dichte aufweisenden Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf in der Rückführleitung bildet die Antriebskraft für den beschriebenen Kreislauf durch den Wärmetauscher, die Vorrichtung zum Zuführen ist vorteilhaft selbstregelnd, weil beim Abziehen einer grösseren Kühlwirkung aus dem Wärmetauscher eine stärkere Verdampfung stattfindet, welche einen grösseren Dampfanteil in der Rückführleitung erzeugt und damit eine grössere Antriebskraft für den Kreislauf durch den Wärmetauscher. Der geschlossene Kreislauf hat ferner die Vorteile, dass die stetige Bewegung des kryogenen Ströriiungsmittels durch den Wärmetauscher einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten durch die Wand erzeugt und eine gleichmässige Kühlung, die frei von Schwingungen und Ünregelmässigkeiten ist, die in offenendigen Vorrichtungen einen Verlust an kryogener Flüssigkeit und andere Unzuträglichkeiten der Arbeitsweise mit sich bringen. Während des stetigen Betriebes, wie er oben beschrieben ist, ist ein Nebenstrom von dem Zuführanschluss 74 durch den ringförmigen Raum zwischen den Rohren 52 und 56 und den Durchlass 68 zum Rückführanschluss 91 vorhanden, der sich als Ergebnis des niedrigeren Druckes am Rückführanschluss 91 gegenüber dem Druck am Zuführanschluss 74 ergibt. Die Strömung im Nebenstrom ist jedoch im Vergleich zum Kreislauf durch den Wärmetauscher klein, weil der Querschnitt des Durchlasses 68 klein ist im Verhältnis zum
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Gesamtquerschnitt für den Strom durch den Wärmetauscher oder durch die Zuführleitung. Der kleine Nebenstrom ist vorteilhaft, weil er einen kalten Mantel um den durch die Rohre urd56 verlaufenden Zuführstrom herbeiführt.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der Vorrichtung während des Abschaltens und Einschaltens beschrieben. Das normale Verfahren zum Abschalten des Wärmetauschers ist das Schliessen des Steuerventils 76. Wenn der Strom der kryogenen Flüssigkeit unterbrochen wird, dringt in einem Zeitraum Wärme in den Wärmetauscher und seine Anschlüsse ein, so dass schliesslich die gesamte Flüssigkeit im Wärmetauscher und in den Rohren und Anschlüssen zwischen dem Rohr 72 und dem Rohr 9o verdampft wird. Ein bestimmter Betrag Wärme wird auch fortfahren durch das äussere Rohr 52 und die äussere Wand der Rückführleitung 3o zu lecken und verursacht eine Verdampfung des Strömungsmittels innerhalb dieser Wände in geringer Menge. Aufgrund dieser Verdampfung fährt das Strömungsmittel in der Rückführleitung fort eine niedrigere Dichte als das in der Zuführleitung zu haben, und es ist weiterhin ein sich daraus ergebender Druckunterschied vorhanden. Dieser Druckunterschied treibt einen kleinen Strom des Strömungsmittels vom Zuführanschluss 74 durch den Nebenstromdurchlass im Ringraum zwischen den Rohren 52 und 56 und durch die Durchlässe 68 zum Rückführanschluss, so dass eine geringe Zirkulation in der Zurührleitung, dem Nebenstromdurchlass und der Rückführleitung aufrechterhalten wird. Dieser Strom ergibt eine fortgesetzte Kühlwirkung in den Durchlässen, in denen er fliesst, so dass die Durchlässe nicht mit Dampf gefüllt werden.
Besonders ist zu bemerken, dass der Strömungsweg der kryogenen
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Flüssigkeit den Zuführanschluss von unten erreicht. Diese Anordnung stellt sicher, dass der im Rohr 27 oder an der Aussenwand des Rohres 52 erzeugte Dampf in den ringförmigen Raum zwischen den Rohren 52 und 56 steigt und in die Rückleitung anstatt die Zuführleitung eintritt, wo er die unerwünschte Wirkung, die gewünschte Strömungsrichtung umzukehren haben könnte. Die beschriebene Vorrichtung sieht eine weitere Sicherheit gegen den Eintrit von Dampf in die Zuführleitung vor, indem ein Ringraum zwischen den Rohren 56 und 6o vorgesehen wird, so dass jeder hier gebildete Dampf durch die Durchlässe 7o und in die Rückführleitung ausgestossen wird.
Wenn der Wärmetauscher angefahren werden soll, wird das Ventil 76 geöffnet. Weil der Nebenstromdurchlass zu Anfang mit Flüssigkeit gefüllt ist, während der Durchlass durch den Wärmetauscher mit Dampf gefüllt ist, und weil.der Zuführanschluss 74 unterhalb des Rückführanschlusses 91 liegt, ist ein Flüssigkeitsdruck vorhanden, der den Kreislauf vom Zuführanschluss 74 durch den Wärmetauscher zum Rückführanschluss 91 antreibt, was zum Beginn der Strömung durch den Wärmetauscher in der gewünschten Richtung führt. Das Rückschlagventil 84 hindert alle aus schnellem Sieden im Wärmetauscher herrührenden Schwingen daran, diese Strömungsrichtung umzukehren. Die Beschränkung im Nebenstromdurchlass stellt sicher, dass die erste Strömung vom Wärmetauscher sich nach oben in die Rückführleitung 3o fortsetzt anstatt einen örtlichen Kreislauf rückwärts durch den Nebenstrom zu erzeugen. Wenn der Dampf vom Wärmetauscher in die Rückführleitung 3o eintritt, wird die Dichte des Strömungsmittels in der Rückführleitung verringert und die Antriebskraft wird für den ständigen Kreislauf des kryogenen Strömungsmittels aufgebaut, wie vorher beschrieben wurde. Die
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beschriebene Vorrichtung zum Zuführen ergibt ein schnelles Anfahren, weil kryogene Flüssigkeit in den Leitungen aufrechterhalten wird, soweit die Anschlüsse reichen, so dass nur ein kurzer Abschnitt warmes Rohr geflutet werden muss, um den Wärmetauscher in Betrieb zu setzen.
Verschiedene Abwandlungen des oben beschriebenen Ausführungsbeispieles sind für Fachleute klar und liegen innerhalb des Gedankens der Patentansprüche.
Kurz zusammengefasst wird durch die Erfindung eine Vorrichtung zum Zuführen kryogener Flüssigkeit zu einem Wärmetauscher geschaffen, in welchen die Flüssigkeit wegen ihrer Kühlwirkung verdampft wird. Die Vorrichtung umfasst eine Rückführleitung zum Leiten verbrauchten Strömungsmittels einschliesslich etwas Dampf vom Wärmetauscher zu einem Abscheidebehälter. Die Rückführleitung mündet mit ihrem oberen Ende in den Dampf enthaltenden Teil des Abscheidebehälters. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Rückführdurchlass zur Aufnahme verbrauchten Strömungsmittels vom Wärmetauscher, einen Nebenstromdurchlass, der an seinem oberen Ende verengt ist und einen Strömungsweg parallel zum Strom durch den Wärmetauscher von einem Zuführanschluss zu einem etwas höher liegenden Rückführanschluss bildet. Die Strömung wird in Aufwärtsrichtung zum Zuführanschluss geleitet und vom Zuführanschluss in den Nebenstromdurchlass. So bildet die Vorrichtung einen geschlossenen Kreislauf kryogener Flüssigkeit zu einem Wärmetauscher, wobei die Antriebskraft für den Kreislauf durch den Differenzdruck zwischen kryogener Flüssigkeit in der Zuführleitung und verbrauchtem Strömungsmittel in der Rückführleitung zugeführt wird.
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Claims (2)

Patentansprüche
1. ! Vorrichtung zum Zuführen kryogener Flüssigkeit Zu einem Wärmetauscher, in welchem die Flüssigkeit zur Erzielung einer Kühlwirkung verdampft wird, mit einem Abscheidebehälter zur Aufnahme von kryogener Flüssigkeit im unteren Teil und von Dampf der Flüssigkeit im oberen Teil, mit einer Zuführleitung zum Leiten kryogener Flüssigkeit vom Abscheidebehälter zu einem Wärmetauscher, welcher mit einem Ende an den Abscheidebehälter zum Absaugen kryogener Flüssigkeit vom unteren Teil desselben und mit ihrem anderen Ende an einen Zuführdurchlass zum Ausstossen kryogener Flüssigkeit in dem Wärmetauscher angeschlossen ist, und mit einer Rückführleitung zum Zurückleiten verbrauchten Strömungsmittels zum Abscheidebehälter, welche mit einem Ende an einen Rückführdurchlass zur Aufnahme verbrauchten, etwas Dampf enthaltenden Strömungsmittels vom Wärmetauscher und mit seinem anderen Ende an den Abscheidebehälter angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet , dass die Zuführ- (38) und die Rückführdurchlässe (4o) in einer niedrigeren Höhe als der Abscheidebehälter (12) liegen, dass die Vorrichtung (1o) einen geschlossenen, selbstgesteuerten Kreislauf kryogener Flüssigkeit mit einem an die Durchlässe (38, 4o) angeschlossenen Wärmetauscher (42) bildet, und dass die Antriebskraft für den Kreislauf durch die Druckdifferenz zwischen kryogener Flüssigkeit in der Zuführleitung (26) und verbrauchter Flüssigkeit in der Rückführleitung (3o) zugeführt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, dass ein Nebenstromdurchlass (68)
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von einem Zuführanschluss (74) , an welchem der Strom der Zuführleitung (26) zwischen dem Zuführdurchlass (38) und dem an die Durchlässe (38, 4o) angeschlossenen Wärmetauscher (42) aufgeteilt wird7 zu einem Rückführanschluss (91) führt, an welchem sich die Ströme vom Nebenstromdurchlass und dem daran angeschlossenen Wärmetauscher wieder vereinigen, dass der Nebenstromdurchlass einen Strom zwischen den Anschlüssen (74,91) parallel zum an die Durchlässe angeschlossenen Wärmetauscher vorbeiführt, dass der Rückführanschluss (91) in einer grösseren Höhe als der Zuführanschluss (74) liegt, und dass der Nebenstromdurchlass im Vergleich zur Zuführleitung (26) verengt ist, wobei der Nebenstromdurchlass eine Zirkulation durch die Leitungen aufrecht erhält, während der Wärmetauscher ausser Betrieb ist, um ein schnelles Anfahren des angeschlossenen Wärmetauschers zu erreichen.
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