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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austreiben von Inhaltsstoffen
aus einer Flüssigkeit durch
feinblasigen Gaseintrag in die Flüssigkeit, insbesondere zur
Entsäuerung
von kohlendioxidhaltigem Trinkwasser durch Zuführen von Luft, mit wenigstens
einem Behälter
für in
dem Behälter
befindliche, insbesondere aufgestaute Flüssigkeit, mit wenigstens einer
Zulaufleitung für
den Zulauf der Flüssigkeit
in den Behälter
und mit wenigstens einer Ablaufleitung zum Ablauf der Flüssigkeit
aus dem Behälter,
mit wenigstens einem im Inneren des Behälters vorgesehenen Belüftungselement
mit einer Vielzahl von Belüftungsöffnungen
und mit wenigstens einer in den Behälter führenden und mit dem Belüftungselement
verbundenen Zuführleitung
zum Zuführen
von Gas in die Flüssigkeit.
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Darüber hinaus
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Austreiben
von Inhaltsstoffen aus einer Flüssigkeit
durch feinblasigen Gaseintrag in die Flüssigkeit, insbesondere zur
Entsäuerung von
kohlendioxidhaltigem Trinkwasser durch Zuführen von Luft, insbesondere
mittels einer Vorrichtung der vorgenannten Art, wobei Gas über eine
in einen Behälter
führende
Zuführleitung
und wenigstens ein im Inneren des Behälters vorgesehenes und mit
der Zuführleitung
verbundenes Belüftungselement
mit einer Vielzahl von Belüftungsöffnungen
in die im Behälter
befindliche, insbesondere aufgestaute Flüssigkeit eingebracht wird und
durch die Flüssigkeit
in einen oberhalb der Flüssigkeit
angeordneten Gasraum des Behälters
aufsteigt.
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Vorrichtungen
der zuvor genannten Art können
unter anderem zur Entsäuerung
von Wasser bei der sogenannten Kohlensäure-Strippung und/oder zur
Strippung von leichtflüchtigen
Substanzen, wie Kohlenwasserstoffen, Lösemitteln, Radon o. dgl., eingesetzt
werden. Eine Vorrichtung der zuvor genannten Art, die zur Entgasung
von kohlendioxidhaltigem Trinkwasser eingesetzt wird, ist bereits
aus der
DE 91 06 125
U1 bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist einen Behälter für in dem
Behälter
aufgestautes Rohwasser auf, wobei innerhalb des Behälters wenigstens
ein Belüftungselement
mit einer Vielzahl von Belüftungsöffnungen
zum Zuführen
von Luft in das Rohwasser vorgese hen ist. Die Luft tritt durch die
Belüftungsöffnungen
in Form von kleinen Luftbläschen in
das Rohwasser ein. Dabei entstehen zwischen den Oberflächen der
Luftbläschen
und dem Wasser Phasengrenzflächen,
an denen ein Ausgleich der Kohlendioxid-Konzentration zwischen dem
Rohwasser und der zugeführten
Luft stattfindet. Dieser Ausgleich erfolgt durch Diffusion von dem
kohlendioxidreichen Wasser hin zu der kohlendioxidarmen Luft. Die
mit Kohlendioxid angereicherten Luftbläschen steigen dann an die Oberfläche des
Wassers auf und entweichen über
eine Abluftöffnung
des Behälters
in die Umgebungsluft.
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Bei
der bekannten Vorrichtung wird der Rohwasserstrom im Kreuzstrom
mit Luft beaufschlagt, wobei für
den Lufteintrag Keramikelemente aus einem Sinterwerkstoff eingesetzt
werden. Die feinblasige Luftverteilung durch die kleinen Poren der
Keramikelemente führt
zu einer hohen Austauschfläche
zwischen dem Wasser und der durchgeleiteten Luft. Damit können hohe
Entsäuerungsleistungen
mit vergleichsweise geringem Luft- und Energiebedarf erreicht werden.
Bei schwankenden Anforderungen aufgrund wechselnder Wassermengen
oder unterschiedlicher Frischwasserzusammensetzungen wird die Entsorgungsleistung
auf einfache Weise durch Variation der Luftförderleistung angepaßt, wobei
die Zuluft mit einem Überdruck
von bis zu 0,15 bar dem Belüftungselement
bzw. den Belüftungselementen zugeführt wird.
Die zuvor beschriebene Vorrichtung ermöglicht eine umweltfreundliche
und technisch einfache sowie preiswerte Entsäuerung von Wasser bei einem
relativ guten Wirkungsgrad.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahrens
jeweils der eingangs genannten Art weiterzubilden und zur Verfügung zu
stellen, mit denen es möglich
ist, Inhaltsstoffe aus einer Flüssigkeit
durch feinblasigen Gaseintrag bei geringem Energie- und Kostenaufwand
und noch höherem
Wirkungsgrad auszutreiben.
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Die
vorgenannte Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß wenigstens
eine Absaugeinrichtung zur Absenkung des Druckniveaus in einem oberhalb
der aufgestauten Flüssigkeit
gebildeten Gasraum des Behälters
vorgesehen ist. Bei der Absaugeinrichtung kann es sich um eine Vakuumpumpe
oder einen Luftverdichter handeln. Verfahrens gemäß ist dementsprechend vorgesehen,
daß das
Druckniveau im Gasraum gegenüber
dem Umgebungsdruck abgesenkt wird, wobei das Gas über die
Zuführleitung
und das Belüftungselement
angesaugt und nach dem Aufsteigen durch die Flüssigkeit aus dem Gasraum abgesaugt
wird. Die Absaugeinrichtung ist vorzugsweise außerhalb des Behälters angeordnet
und über
eine Absaugleitung mit dem Gasraum im Behälter verbunden. Es versteht
sich, daß der
Behälter
unterdruckdicht bzw. unterdruckfest ausgelegt ist bzw. eine entsprechende
Konstruktion aufweist, um eine geforderte Druckabsenkung im Behälter zu
ermöglichen.
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Der
Erfindung liegt der Grundgedanke zugrunde, durch Absenkung des Druckniveaus
im Gasraum bzw. im Behälter
das Verteilungsgleichgewicht der aus der Flüssigkeit auszutreibenden bzw.
in die Gasphase zu überführenden
Flüssigkeitskomponente
zu verschieben. Dabei ist gemäß dem sogenannten
Henry-Gesetz der Stoffmengenanteil des in einer Flüssigkeit
gelösten
Gases im Gleichgewicht direkt proportional zum Partialdruck des
entsprechenden Gases in der Gasphase. Die Proportionalität wird durch
die sogenannte Henry-Konstante
ausgedrückt. Im
Ergebnis wird bei der Erfindung durch Absenkung des Gesamtdrucks
im Gasraum bzw. im Behälter
der Partialdruck der auszutreibenden Komponente in der Gasphase
gesenkt, was dazu führt,
daß die
Gleichgewichtskonzentration des Gases in der Lösung abnimmt. Nach dem Prinzip
des kleinsten Zwanges bzw. dem Prinzip von Le Châtellier reagiert das Behältersystem
bei einer Verringerung des Gesamtdrucks im Gasraum mit einer Vergrößerung der
Gasteilchenanzahl der leichter flüchtigen Komponente. Um einen
vorgegebenen Restgehalt einer Komponente in einer zu reinigenden
Flüssigkeit
sicherzustellen, muß im
Vergleich zum Stand der Technik bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ein geringerer Gasvolumenstrom in die Flüssigkeit eingebracht werden,
was energie- und kostengünstig
ist und eine Verringerung der Bauteilabmessungen, insbesondere der
Zuführ- und
der Absaugleitung für
den Gasstrom, zuläßt. Im Vergleich
zu der bekannten eingangs beschriebenen Vorrichtung, bei der die
Reinluft dem Behälter
mit Überdruck
zugeführt
wird, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
daher eine Energieeinsparung von bis zu 30% möglich. Die Verringerung der
Bauteilabmessungen führt
im übrigen
dazu, daß die
gesamte Anlage nicht nur kleiner ist und einen geringeren Raumbe darf
hat, sondern insgesamt auch günstiger ist,
da der Materialbedarf verringert ist.
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Vorzugsweise
ist in der Zuführleitung
eine Drosseleinrichtung zur Verringerung des Gasvolumenstroms durch
die Zuführleitung
vorgesehen. Bei der Drosseleinrichtung kann es sich um einen Druckminderer
oder eine Drosselarmatur handeln. Die Drosselung des Gasvolumenstroms
auf der Seite der Zuführleitung
senkt den Energieaufwand zur Absenkung des Druckniveaus im Behälter. Im
Ergebnis ist es durch Drosselung des Gasvolumenstroms in der Zuführleitung
möglich,
bei vergleichsweise niedrigem Absaugvolumenstrom durch die Absaugleitung
das Druckniveau im Gasraum des Behälters auf einen vorgegebenen
Wert zu senken. Grundsätzlich
ist es natürlich
auch möglich,
daß das
Gas auf Umgebungsdruck dem Belüftungselement
zugeführt
wird, wobei ein vergleichsweise größerer Absaugvolumenstrom erforderlich
ist, um das Druckniveau im Behälter
abzusenken.
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In
diesem Zusammenhang ist es weiter vorzugsweise vorgesehen, daß der Gasvolumenstrom durch
die Drosseleinrichtung einstellbar ist. Dadurch ist es möglich, bei
unverändertem
Absaugvolumenstrom bedarfsweise das Druckniveau im Behälter durch
Verstellen der Drossel zu verändern.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist es vorgesehen, das Druckniveau im Gasraum auf
einen Gesamtdruck von weniger als 0,9 bar, insbesondere auf einen
Gesamtdruck von 0,7 bis 0,9 bar, abzusenken. Daraus resultiert eine
Druckdifferenz zur Umgebung von 0,1 bis 0,3 bar, was eine entsprechend
druckfeste Konstruktion der Vorrichtung, insbesondere des Flüssigkeitsbehälters, voraussetzt.
Im Zusammenhang mit der Erfindung hat sich gezeigt, daß die Absenkung
des Druckniveaus um einen Betrag von 0,1 bis 0,3 bar ausreichend
ist, um bei vergleichsweise geringem Aufwand für die Druckabsenkung das Verteilungsgleichgewicht
der auszutreibenden Komponente ausreichend weit zu verschieben.
Es versteht sich natürlich,
daß grundsätzlich auch
eine Absenkung des Druckniveaus im Gasraum auf einen Wert von weniger
als 0,7 bar möglich
und ggf. von Vorteil ist.
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Um
eine ausreichend hohe Eintrittstemperatur des Gases beim Zuführen in
die Flüssigkeit
sicherzustellen, kann wenigstens ein Wärmetauscher zur Vorwär mung des
zugeführten
Gases vorgesehen sein, vorzugsweise in der Zuführleitung. Dies ist insbesondere
dann von Vorteil, wenn Luft aus der Umgebung angesaugt wird, wobei
es während
der Wintermonate ohne Luftvorwärmung
dazu kommen kann, daß es
beim Zuführen
der Luft in die Flüssigkeit zum
Gefrieren der Flüssigkeit
kommt. Hier dient die Vorwärmung
als Frostsicherung. Weiter vorzugsweise ist eine Vorwärmung durch
Wärmeaustausch
zwischen dem aus dem Gasraum abgesaugten Abgas-Volumenstrom und
dem dem Belüftungselement zugeführten Reingas-Volumenstrom
vorgesehen. Damit ist es möglich,
die beim Absaugen des Gases aus dem Gasraum erzeugte Wärmeenergie
teilweise zurückzugewinnen
und zur Vorwärmung
des Gases vor dem Zuführen
in die Flüssigkeit
zu nutzen.
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Bei
einer weiter bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist eine Ablauföffnung
der Ablaufleitung auf einem Höheniveau
unterhalb des Höhenniveaus
der Flüssigkeitsoberfläche der
im Behälter aufgestauten
und begasten bzw. belüfteten
Flüssigkeit
angeordnet, wobei der aus der Höhendifferenz resultierende
hydrostatische Druck zumindest dem im Gasraum des Behälters erzeugten
Unterdruck entspricht. Vorzugsweise ist der erzeugte hydrostatische
Druck größer ist
als der im Gasraum des Behälters
erzeugte Unterdruck. Dies ermöglicht
das Ablaufen der Flüssigkeit
aus dem Behälter
allein aufgrund des Höhenunterschieds,
so daß keine
Pumpe o. dgl. erforderlich ist, um die Flüssigkeit aus dem Behälter abzuleiten.
Bei einer Absenkung des Druckniveaus im Gasraum um 0,1 bis 0,3 bar
gegenüber
dem Umgebungsdruck ergibt sich ein Höhenunterschied zwischen der
Flüssigkeitsoberfläche der
begasten Flüssigkeit
im Behälter
und der Ablauföffnung
der Ablaufleitung von wenigstens ca. 1 bis 3 m, was gebäudetechnisch
leicht zu realisieren ist. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, eine
Pumpeinrichtung zum Ableiten der Flüssigkeit aus dem Behälter vorzusehen, wobei
es auf ein hydrostatisches Gefälle
nicht ankommt.
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Im übrigen kann
vorgesehen sein, daß eine Zulauföffnung der
Zulaufleitung oberhalb von der Ablauföffnung der Ablaufleitung angeordnet
ist, was sicherstellt, daß die
Flüssigkeit
ohne weiteres in den Behälter
einströmen
und auf der Ablaufseite des Behälters
wieder ablaufen kann. Der Druckunterschied zwischen dem Flüssigkeitsdruck
an der Zulauföffnung
und dem Flüssigkeitsdruck
an der Ablauföffnung
sollte vorzugsweise ca. 0,05 bar betragen, was ei nem Höhenunterschied
von ca. 0,5 m entspricht. Grundsätzlich
können
jedoch bereits geringere Druckunterschiede ausreichen.
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Die
Zulaufleitung und die Ablaufleitung sind jeweils an wenigstens einem
Leitungsabschnitt U-förmig
ausgebildet, wobei die U-förmig
ausgebildeten Leitungsabschnitte als Wasserschlösser/Siphons wirken, um einen
Luftdurchtritt durch die Leitungen und einen ungewollten Druckausgleich
mit dem Behälter
auszuschließen.
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Die
Absaugleitung kann einen Kondensatabscheider aufweisen, um das Abscheiden
von Flüssigkeitströpfchen in
der Absaugleitung vor der Absaugeinrichtung zu verhindern.
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Schließlich kann
eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Steuerung bzw. Regelung
des Gasvolumenstroms durch die Zuführleitung und/oder zur Steuerung
bzw. Regelung des Druckniveaus im Gasraum vorgesehen sein. Dadurch
kann das erfindungsgemäße Verfahren
weiter vereinfacht und ein sehr hoher Wirkungsgrad bzw. Abscheidegrad
für die auszutreibende
Komponente sichergestellt werden.
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Im
einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Vorrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren
auszugestalten und weiterzubilden, wobei einerseits auf die abhängigen Patentansprüche und
andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen wird.
Im übrigen
läßt es die Erfindung
bedarfsweise zu, die in den Ansprüchen und/oder die anhand der
Zeichnung nachfolgend offenbarten und beschriebenen Merkmale miteinander zu
kombinieren, auch wenn dies nicht im einzelnen beschrieben ist.
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Die
einzige Figur zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung 1 zur
Entsäuerung
von kohlendioxidhaltigem Trinkwasser 2 mit Luft. Die Vorrichtung 1 weist
einen Behälter 3 für das Trinkwasser 2 auf,
wobei ein Rohwasserstrom 4 dem Behälter 3 über eine
Zulaufleitung 5 zugeleitet und ein Reinwasserstrom 6 aus
entsäuertem
Trinkwasser 2 aus dem Behälter 3 über eine
Ablaufleitung 7 abgeführt
wird. Im Inneren des Behälters 3 ist
ein Reaktionsteil 8 mit einer Mehrzahl von Belüftungselementen 9 vorgesehen,
wobei jedes Belüftungselement 9 eine
Vielzahl von nicht dargestellten Belüftungsöffnungen aufweist. Bei den
Belüftungselementen 9 handelt
es sich um feinporige Keramikelemente. Der Reaktionsteil 8 und
jedes Belüftungselement 9 sind über eine
Zuführleitung 10 mit
der Umgebung verbunden, wobei über
die Zuführleitung 10 und
den Reaktionsteil 8 ein Reinluftstrom 11 aus der
Umgebung angesaugt und feinblasig in das Trinkwasser 2 eingetragen
wird. Der Lufteintrag erfolgt im Kreuzstrom zum Wasserfluß über die
feinporigen Belüftungselemente 9,
die aus einer kunststofffreien Keramik bestehen. Der Behälter 3 weist
einen Zulaufbereich 12, einen Reaktionsbereich 13 und
einen Auslaufbereich 14 auf. Das Trinkwasser 2 wird
in den drei Bereichen 12, 13, 14 unterschiedlich
hoch aufgestaut, wobei für eine
ausreichende Entsäuerung
im Reaktionsbereich 13 eine ausreichend lange Verweilzeit
der aus den Belüftungselementen 9 austretenden
Luftblasen 15 im Trinkwasser 2 gewährleistet
sein muß.
Nach dem Durchtritt durch das Trinkwasser 2 steigen die
Luftblasen 15 in einen Gasraum 16 auf, der oberhalb
der Bereiche 12, 13, 14 des Behälters 3 gebildet
wird.
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Mit
dem Behälter 3 ist
im übrigen
eine Absaugleitung 17 verbunden, über die ein Abluftstrom 18 aus
dem Gasraum 16 abgesaugt und in die Umgebung freigesetzt
wird. Die Absaugleitung 17 weist eine Absaugeinrichtung 19 auf,
die zur Absenkung des Druckniveaus im Gasraum 16 des Behälters 3 vorgesehen
ist. Bei der Absaugeinrichtung 19 kann es sich um einen
Verdichter oder um eine Vakuumpumpe handeln. Die Absaugeinrichtung 19 ermöglicht es,
das Druckniveau im Gasraum 16 gegenüber dem Umgebungsdruck abzusenken,
vorzugsweise um 0,1 bis 0,3 bar, so daß im Gasraum ein absoluter Druck
von 0,7 bis 0,9 bar einstellbar ist. Durch den erzeugten Unterdruck
wird Umgebungsluft über
die Zuführleitung 10 und
das Reaktionsteil 8 in den Behälter 3 angesaugt.
Um den Energieaufwand für
die Druckabsenkung zu verringern, ist eine Drosseleinrichtung 20 in
der Zuführleitung 10 vorgesehen.
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Durch
Absenkung des Druckniveaus im Gasraum 16 kommt es zu einer
Verschiebung des Gleichgewichtes der Verteilung von Kohlendioxid
im Trinkwasser 2 und in der Gasphase bzw. im Reinluftstrom 11.
Dabei ist es so, daß die
Gleichgewichtskonzentration von Kohlendioxid im Trinkwasser 2 proportional
zum Partialdruck von Kohlendioxid in der Gasphase ist. Im Ergebnis läßt sich
durch Absenkung des Gesamtdrucks in dem Behälter 3 bzw. im Gasraum 16 die
Gleichgewichtskonzentration von Kohlendioxid im Trinkwasser 2 verringern.
Um einen vorgegebenen Reinigungsgrad des Trinkwassers 2 sicherzustellen,
muß aufgrund
der Druckabsenkung im Behälter
ein geringerer Reinluft-Volumenstrom in das Trinkwasser 2 eingeblasen
werden, was zu einer Einsparung von Energie und Kosten führt. Im übrigen können die
Bauteilabmessungen der Vorrichtung 1 entsprechend verringert
werden.
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Wie
sich aus der Figur weiter ergibt, ist eine Ablauföffnung 21 der
Ablaufleitung 7 tiefer als die Flüssigkeitsoberfläche 22 des
im Behälter 3 aufgestauten
und begasten Trinkwassers 2 angeordnet, wobei der aus der
Höhendifferenz
H zwischen der Ablauföffnung 21 und
der Flüssigkeitsoberfläche 22 resultierende
hydrostatische Druck größer ist
als der im Gasraum 16 des Behälters 3 erzeugte Unterdruck. Durch
das erzeugte hydrostatische Gefälle
kann ohne Einsatz einer Pumpe das Ablaufen des Reinwasserstroms 6 aus
dem Auslaufbereich 14 trotz des im Behälter 3 erzeugten Unterdrucks
sichergestellt werden. Die Höhe
H beträgt
dabei wenigstens ca. 1 bis 3 m bei einem im Behälter 3 erzeugten Unterdruck
von 0,1 bis 0,3 bar. Eine Zulauföffnung 23 der Zulaufleitung 5 ist
vorzugsweise 0,5 m oberhalb von der Ablauföffnung 21 angeordnet,
so daß der
Druckunterschied zwischen dem Flüssigkeitsdruck
des Rohwassers an der Zulauföffnung 23 und
dem Flüssigkeitsdruck
des Reinwassers an der Ablauföffnung 21 ca.
0,05 bar oder weniger beträgt.
Der Rohwasserstrom 4 kann dann bei dem erzeugten Unterdruck im
Inneren des Behälters 3 und
dem Höhenniveau der
Ablauföffnung 21 ohne
weiteres in den Zulaufabschnitt 12 des Behälters 3 einströmen. Im übrigen weisen
die Zulaufleitung 5 und die Ablaufleitung 7 jeweils
einen U-förmig
ausgebildeten und als Wasserschloß wirkenden Leitungsabschnitt 24 auf.
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Am
Eintritt in die Zuführleitung 10 ist
darüber hinaus
ein Luftfilter 25 vorgesehen. Zur Abscheidung von Kondensat
ist vor der Absaugeinrichtung 19 ein Kondensatabscheider 26 vorgesehen.
Im übrigen werden
der Ablaufstrom 18 und der Reinluftstrom 11 durch
einen Wärmetauscher 27 geführt, wobei
die beim Verdichten das Abluftstroms 18 in der Absaugeinrichtung 19 erzeugte
Wärmeenergie
zum Teil zurückgewonnen
und an den Reinluftstrom 11 übertragen wird. Dies dient
zum Schutz vor einer Vereisung der Vorrichtung 1 bei kalten
Umgebungstemperaturen.
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Nicht
dargestellt ist im übrigen,
daß der Durchsatz
durch die Drosseleinrichtung 20 einstellbar ist, um bedarfsweise
den aus der Umgebung über
die Zuführleitung 10 angesaugten
Luftvolumenstrom zu verringern und damit das Druckniveau im Gasraum 16 bei
konstantem Absaugvolumenstrom bedarfsweise mehr oder weniger stark
abzusenken.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Trinkwasser
- 3
- Behälter
- 4
- Rohrwasserstrom
- 5
- Zulaufleitung
- 6
- Reinwasserstrom
- 7
- Ablaufleitung
- 8
- Reaktionsteil
- 9
- Belüftungselement
- 10
- Zuführleitung
- 11
- Reinluftstrom
- 12
- Zulaufbereich
- 13
- Reaktionsbereich
- 14
- Auslaufbereich
- 15
- Luftblasen
- 16
- Gasraum
- 17
- Absaugleitung
- 18
- Abluftstrom
- 19
- Absaugeinrichtung
- 20
- Drosseleinrichtung
- 21
- Ablauföffnung
- 22
- Flüssigkeitsoberfläche
- 23
- Zulauföffnung
- 24
- Leitungsabschnitt
- 25
- Luftfilter
- 26
- Kondensatabscheider
- 27
- Wärmetauscher