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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Stirling-Maschinen und betrifft insbesondere die Reinigung von Wärmetauschern in Stirling-Maschinen, die mit Rauchgasen in Berührung kommen.
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HINTERGRUND
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Die direkte Nutzung der heißen Rauchgase aus Biomasse-Verbrennungsanlagen für Kraft-Wärme-Kopplungsmaschinen bedeutet eine dramatische Systemvereinfachung im Vergleich zu beispielsweise einem Holzgas-Blockheizkraftwerk. Letzteres benötigt eine Vergaseranlage, eine Gaskühlung und eine Teerkondensationsanlage, bevor das resultierende Gas einem Ottomotor zugeführt werden kann. Abgesehen davon, dass wegen der Gaskühlung der elektrische Gesamtwirkungsgrad sinkt, steigt infolge der Anzahl der Systemkomponenten der Aufwand für Wartung und Instandhaltung. Jedoch auch andere Brennstoffe, wie beispielsweise Deponie- oder Klärgase (Schwachgase) beinhalten Reststoffe, die bei der Verbrennung zu Ablagerungen am Wärmetauscher führen. Typisches Beispiel dafür sind Siloxane in Klärgasen, die bei der Verbrennung in Form von Siliziumdioxid ausfallen.
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Eine Kraft-Wärme-Kopplung mittels Stirling-Motoren hat den Vorteil, dass die heißen Rauchgase (z.B. Rauchgase, die in Biomasse-Feuerungsanlagen entstehen) von dem Prozessgas des Motors getrennt sind und die Wärmeübertragung auf das Prozessgas über einen Wärmetauscher erfolgt, an dem sich jedoch aus den oben beschriebenen Gründen Ascheteile und andere im Rauchgas enthaltenen Partikel anlagern, was die Wärmeübertragung im Wärmetauscher verschlechtert.
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Es sind verschiedene Reinigungsvorrichtungen zur Reinigung von Wärmetauscher bekannt, die beispielsweise mechanisch wirken oder mit Druckluft oder Dampf betrieben werden. Der Aufsatz Marinitsch et al.: „Development of a hot gas heat exchanger and a cleaning system for a 35 kWel hermetic four cylinder stirling engine for solid biomass“, in: Proceedings of the 12th ISEC, Sept. 2005, beschreibt die automatische Reinigung eines Wärmetauschers mittels Pressluft. An anderen Stellen wird auf den schädlichen Einfluss von Siloxanen berichtet, die in Verbrennungsmotoren in Form von Quarzstaub ausfallen und zu erheblichen Schäden, jedenfalls zu erhöhtem Instandsetzungsaufwand führen. Die Publikation
DD 33 945 A1 beschreibt eine Sonde zur Reinigung von Dampferzeugern von Flugasche und Schlacke, wobei ein Reinigungsmedium nach vollständiger oder teilweiser Verdampfung in den Dampferzeugerraum austritt oder zu Reinigungszwecken benutzt wird. Die Publikation
DE 10 2010 061 072 A1 betrifft die Reinigung eines mit einem Stirling-Motor verbundenen Wärmetauschers. Die Reinigung des Wärmetauschers erfolgt dabei mittels einer automatisch gesteuerten Reinigungslanze, deren vorderes Ende einen Düsenkopf aufweist, der in den Wärmetauscher eingebracht werden kann. Der Düsenkopf rotiert um die Längsachse der Reinigungslanze sowie in einer dazu winklig ausgerichteten Bewegungsrichtung, so dass durch diese Überlagerung der zwei unterschiedlichen Bewegungen sichergestellt ist, dass sämtliche Flächen des Wärmetauschers mit der Reinigungsflüssigkeit bestrichen werden. Der Druck der Reinigungsflüssigkeit ist so eingestellt, dass auch die radial äußeren Abschnitte der Röhrchen des Wärmetauschers sowie ggf. dort vorgesehene Lamellen zuverlässig abgereinigt werden, indem die Reinigungsflüssigkeit durch die Zwischenräume dieser Röhrchen bzw. Lamellen tritt. In der Publikation
EP 1 988 352 A2 ist ein System beschrieben, bei dem der Wärmetauscher mit einer Art Bürste mechanisch gereinigt wird.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zur Reinigung eines Wärmetauschers in einer Kraft-Wärme-Kopplungs-Maschine zu schaffen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es wird eine Vorrichtung zur Reinigung eines Wärmetauschers beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Reinigungsvorrichtung ein Verdampfungsmodul auf, das in der Nähe des Wärmetauschers angeordnet ist, sodass es derselben Gasströmung ausgesetzt ist wie der Wärmetauscher. Die Reinigungsvorrichtung weist des Weiteren eine Zuleitung auf, die mit dem Verdampfungsmodul verbunden ist und über die eine Flüssigkeit in das Verdampfungsmodul geleitet werden kann. Das Verdampfungsmodul weist Auslassdüsen auf, die so angeordnet sind, das Dampf, der in dem Verdampfungsmodul durch Verdampfen der Flüssigkeit entsteht, durch die Auslassdüsen in Richtung des Wärmetauschers austreten kann.
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Des Weiteren wird ein Stirling-Motor beschrieben. Dieser weist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Wärmetauscher (Erhitzer) auf, der von heißem Heizgas angeströmt wird, sodass das Heizgas Wärme an den Wärmetauscher abgibt. Der Stirling-Motor weist des Weiteren die oben beschriebene Reinigungsvorrichtung auf, die in der Nähe des Wärmetauschers angeordnet ist.
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Schließlich wird ein Verfahren zur Reinigung eines Wärmetauschers beschrieben. Dazu wird ein Verdampfungsmodul verwendet, welches in der Nähe des Wärmetauschers angeordnet ist, sodass es derselben Gasströmung ausgesetzt ist wie der Wärmetauscher. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst das Verfahren das Zuführen einer definierten Flüssigkeitsmenge in das Verdampfungsmodul, wobei die Flüssigkeit in dem Verdampfungsmodul verdampft und Dampf durch Auslassdüsen des Verdampfungsmoduls in Richtung des Wärmetauschers austritt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. Zu den Abbildungen:
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1 zeigt das Reinigungssystem in tlw. vereinfachter Darstellung.
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2 zeigt beispielhaft eine Anwendung der Erfindung an einer Stirling-Maschine in Alpha-Konfiguration.
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3 zeigt einen Längsschnitt durch die Stirling-Maschine gemäß 2.
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4 zeigt das Beispiel aus 1 mit einer alternativen Wasserversorgung.
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In den Abbildungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG
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Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele einer Reinigungsvorrichtung sind dazu ausgebildet, innerhalb eines Verdampfungsmoduls der Reinigungsvorrichtung Hochdruckdampf zu generieren und diesen über Austrittsdüsen auf den zu reinigenden Wärmetauscher zu leiten. Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen eine Reinigungsvorrichtung zum Reinigen eines Wärmetauschers einer Stirling-Maschine. Die Reinigungsvorrichtung kann jedoch auch in anderen Umgebungen zur Reinigung von Wärmetauschern eingesetzt werden.
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Das Verdampfungsmodul der Reinigungsvorrichtung kann beispielsweise dort angeordnet werden, wo die Heizgase, die den Wärmetauscher heizen, diesen verlassen. Im Betrieb nimmt nach einer gewissen Zeit das Modul die Temperatur der austretenden Heizgase an, die im Fall von Stirling-Maschinen oder anderen thermodynamischen Maschinen bis zu 700 Grad Celsius betragen können. Gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen wird dem heißen Modul eine definierte Menge Flüssigkeit (z.B. Wasser) zugeführt, die in Kanälen, welche innerhalb des Moduls vorgesehen sind, schlagartig zu Dampf umgewandelt wird. Der Dampf tritt dann mit hohem Druck an Düsen aus dem Modul aus, wobei die Düsen so ausgerichtet sind, dass der Dampf auf die zu reinigende Oberfläche des Wärmetauschers geleitet wird. Dieser Vorgang kann zyklisch gesteuert werden, beispielsweise zeitabhängig oder abhängig vom Grad der Verschmutzung des Wärmetauschers. Darüber hinaus bietet die hier beschriebene Reinigungsvorrichtung die Möglichkeit, das Verdampfungsmodul um seine Längsachse zu schwenken, um nur mit einer begrenzten Anzahl an Düsen schrittweise die Oberfläche des Wärmetauschers zu besprühen, was eine besonders intensive Teilreinigung bewirkt. Die Reinigung kann ohne Betriebsunterbrechung der Maschine erfolgen und der überhitzte Dampfstrahl bewirkt keinen schädlichen Temperaturschock am Wärmetauscher.
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Die Erfindung eignet sich hervorragend dafür, staub- und partikelartige Ablagerungen vom Wärmetauscher ohne den Einsatz von externer Energie zu entfernen. Vielmehr wird das Temperaturniveau der Rauchgase beim Austritt aus dem Wärmetauscher genutzt, um das Verdampfungsmodul der Reinigungsvorrichtung zu heizen. Während die Heizgase (Rauchgase) mit Temperaturen von über 1200 Grad Celsius auf den Wärmetauscher zuströmen können, kühlen sie an den Oberflächen des Wärmetauschers, deren Temperaturen etwa 600 bis 650 Grad C betragen, auf etwa 700 Grad C ab. Je nach Auslegung der Stirling-Maschine als Mittel- oder Hochtemperaturmaschine, kann dieser Wert noch erheblich nach oben oder nach unten variieren. In jedem Fall handelt es sich jedoch um ein Temperaturniveau, bei dem einerseits Werkstoffe wie Stähle noch mit erheblichen Festigkeiten verfügbar sind, andererseits ein hoch überhitzter Dampf mit Drücken von mehr als 100 bar erzeugbar ist.
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Das Verdampfungsmodul ist beispielsweise ein quaderförmiger oder zylindrischer Körper umfassend ein Gehäuse, z.B. aus warmfestem Stahl. Das Gehäuse ist ausgefüllt mit einem Material mit hoher Wärmekapazität, z.B. aus legiertem Stahl, und ist unmittelbar (bezogen auf die Strömungsrichtung der Heizgase) hinter dem Wärmetauscher angeordnet, sodass das Verdampfungsmodul von den Heizgasen im Laufe der Zeit im Wesentlichen auf deren Temperatur erhitzt wird. Im Inneren des Zylinders befinden sich im Bereich des Materials mit hoher Wärmekapazität Kanäle mit möglichst hoher Oberfläche, die eingangsseitig mit einer Wasserzuleitung und ausgangsseitig mit einer oder mehreren Austrittdüsen verbunden sind. Die Düsen können in Reihen angeordnet sein und sind auf den Wärmetauscher gerichtet.
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Das Verdampfungsmodul wird über eine Rohrleitung, in deren Verlauf sich ein Rückschlagventil befindet, zyklisch über eine Wasserversorgungseinrichtung mit einer definierten Wassermenge versorgt. Das Rückschlagventil schützt die Wasserversorgungseinrichtung vor Druckschlägen (Stoßwellen), die während des Verdampfungsvorganges in dem Verdampfungsmodul entstehen können. Die Wasserversorgung kann wahlweise eine Hochdruckleitung, eine Pumpe oder einen Pumpenzylinder umfassen, welche bzw. welcher die definierte Wassermenge an das Verdampfungsmodul abgibt. Ein Hochdruck-Absperrventil kann die gesteuerte Zuführung von bestimmten Wassermengen in bestimmten Zeitintervallen, die dem Reinigungsbedarf des Wärmetauschers angepasst sind, ermöglichen. Im Falle der Anwendung eines Pumpzylinders erübrigt sich ein Hochdruck-Absperrventil (Magnetventil 3.2), da die Zuführung einer definierten Wassermenge direkt vom Hub des Pumpzylinders abhängt.
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Die Anzahl der Austrittdüsen am Verdampfungsmodul und deren Ausrichtung können so gewählt werden, dass sie den gesamten Wärmetauscher erfassen. Es kann im Hinblick auf eine kurzfristige Heizgasumkehr vorteilhaft sein, jeweils nur einen Teil des Wärmetauschers zu reinigen. Die einhergehende Reduzierung der Anzahl der Düsen kann für einen rascheren Druckaufbau und einen höheren Enddruck genutzt werden, was zu einer erheblich konzentrierteren Reinigung führt. Um die gesamte Wärmetauscherfläche zu bedienen, kann vorgesehen sein, den Verdampfer kontinuierlich oder schrittweise zu schwenken oder zu verschieben. Die Wasserzuführung kann dabei über einen flexiblen Schlauch oder über eine Drehdurchführung erfolgen. Solche sind an sich bekannt und bedürfen daher hier keiner weiteren Erläuterung, wie auch ein Schwenk- oder Verschubmechanismus für das Verdampfungsmodul mittels Schritt- oder Schwenkmotoren hier keiner weiteren Erläuterungen bedarf.
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Abhängig von der Anwendung kann es vorteilhaft sein, dass die Reinigung des Wärmetauschers keine Betriebsunterbrechung erfordert und dass der Reinigungsstrahl aus überhitztem Dampf besteht, sodass kein thermischer Schock auf der Wärmetauscheroberfläche ausgelöst wird, wie dies beispielsweise bei kalter Pressluft oder gar bei kalten Flüssigkeiten der Fall wäre.
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1 zeigt schematisch ein einfaches Beispiel der oben allgemein beschriebenen Reinigungsvorrichtung 3.0 in der Nähe eines Wärmetauschers 1.7 (die z.B. Teil einer Stirling-Maschine 1.0 sein kann, siehe auch 2). Das heiße Heizgas 2.2 wird von einer nicht näher dargestellten Feuerungsanlage 2.0 erzeugt. 1 zeigt rechts einen Längsschnitt durch das Verdampfungsmodul 3.5 der Reinigungsvorrichtung 3.0 und links einen korrespondierenden Querschnitt. Wie oben erwähnt weist das Verdampfungsmodul 3.5 ein Gehäuse 3.9 auf, das z.B. aus warmfesten Stahl bestehen kann. Das Gehäuse 3.9 ist mit einem Material 3.10 hoher Wärmekapazität (z.B. legierter Stahl) gefüllt, in dem Kanäle 3.6 vorgesehen sind. Im Betrieb verdampft das über die Zuleitung 3.4 dem Verdampfungsmodul 3.5 zugeführte Wasser während es die Kanäle 3.6. durchströmt schlagartig, und der entstehende Dampf tritt über die Austrittsdüsen 3.7, in die die Kanäle 3.6 münden, aus. Der resultierende Dampfstrahl 3.8 ist auf den Wärmetauscher 1.7 gerichtet und befreit diesen von den erwähnten Ablagerungen.
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Über die Zuleitung 3.4 wird Wasser von einem Druckanschluss einer Wasserversorgungseinrichtung 3.1 zu dem Verdampfungsmodul 3.5 geleitet werden. Die dem Verdampfungsmodul 3.5 zugeführte Wassermenge wird über die hintereinander geschalteten Ventile 3.2 und 3.3 festgelegt. Das Ventil 3.2 kann z.B. ein Magnetventil sein, welches in regelmäßigen Zeitabständen angesteuert wird, um das Ventil für kurze Zeit zu öffnen. Das zweite Ventil 3.3 ist ein Rückschlagventil, welches aufgrund der bei der schlagartigen Verdampfung des zugeführten Wassers entstehenden Druckwelle in der Zuleitung 3.4 schließt und ein Zurückfließen des Wassers in der Zuleitung 3.4 verhindert. Gleichzeitig wird das Magnetventil 3.2 und die Wasserversorgung vor der Druckwelle geschützt. Die Wasserversorgung 3.1 kann auch aus einem Pumpzylinder 3.11 bestehen, der zyklisch betätigt wird und eine dosierte Wassermenge dem Verdampfungsmodul 3.5 zuführt (siehe auch 4).
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In den 2 und 3 ist die Anwendung der Reinigungsvorrichtung 3.0 in einer Stirling-Maschine 1.0 in Alpha-Konfiguration dargestellt, wobei 2 einen Längsschnitt entlang der Zylinderachsen zeigt und 3 einen korrespondierenden Querschnitt durch die Reinigungsvorrichtung 3.0. Die Stirling-Maschine 1.0 umfasst zwei Zylinder 1.3 und 1.4, in denen jeweils ein Kolben geführt ist. Die Kolben sind mit der Kurbelwelle 1.2 mechanisch so gekoppelt, dass die Linearbewegung der Kolben in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgewandelt wird. Die Kolben bewegen sich linear entlang der Zylinderachsen, die im vorliegenden Beispiel annähernd parallel liegen (was nicht notwendigerweise der Fall sein muss). Der Zylinder 1.3 ist „heiß“ und der Zylinder 1.4 ist „kalt“, wobei der kalte Zylinder 1.3 dem heißen um einen gewissen Phasenwinkel (bezogen auf den Drehwinkel der Kurbelwelle 1.2) nacheilt. Die Kurbelwelle 1.2 ist in einem Gehäuse, dem Kurbelgehäuse 1.1, angeordnet.
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Am Zylinderende des kalten Zylinders 1.4 ist ein Niedertemperatur-Wärmetauscher 1.5 und daran anschließend (auf der dem Zylinder abgewandten Seite des Wärmetauschers 1.5) ein Regenerator 1.6 angeordnet. Zwischen dem Regenerator 1.6 und dem heißen Zylinder 1.3 ist der Hochtemperatur-Wärmetauscher 1.7 (Erhitzer) angeordnet, der im Betrieb mit dem heißen Heizgas 2.2 (z.B. über 1000° C.) in Berührung kommt und folglich durch Ablagerungen von Staub, Asche und sonstigen Partikel, die das Heizgas 2.2 mit sich führt, belastet ist. Das Heizgas 2.2 gibt Wärme an den Wärmetauscher 1.7 und kühlt dabei auf z.B. rund 700° C. ab. Das abgekühlte, jedoch noch warme Heizgas ist mit dem Bezugszeichen 2.3 bezeichnet. Um den Wärmetauscher 1.7 herum ist eine Heizgasführung 2.1 angeordnet, die dafür sorgt, dass das Heizgas den Wärmetauscher 1.7 durchströmt. Die Funktionsweise einer Stirling-Maschine in Alpha-Konfiguration ist an sich bekannt und wird hier nicht weiter erläutert.
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Der Erhitzer bzw. Wärmetauscher 1.7 erstreckt sich bogenförmig (annähernd halbkreisförmig im Längsschnitt gemäß 2) zwischen den beiden Zylindern 1.3 und 1.4, und besteht aus mehreren Kanälen, die von dem Prozessgas der Stirling-Maschine durchströmt werden. Andere als kreisbogenförmige Verbindungen können in speziellen Anwendungsfällen von Vorteil sein, beeinflussen aber nicht den erfindungsgemäßen Gedanken. Die Reinigungsvorrichtung 3.0 ist so in unmittelbarer Nähe des Wärmetauschers 1.7 angeordnet, dass sie von dem warmen (auf z.B. etwa 700° C. abgekühlten) Heizgas umströmt und aufgeheizt wird. Im Betrieb hat somit die Reinigungsvorrichtung 3.0 annähernd die gleiche Temperatur wie das warme Heizgas 2.3. Wie bereits erwähnt erstreckt sich der Wärmetauscher 1.7 bogenförmig und zwar so, dass er zumindest teilweise die Reinigungsrichtung 3.0 umschließt. Bei einem (um einen Mittelpunkt) halbkreisförmig ausgestalteten Wärmetauscher 1.7 liegt die Längsachse der Reinigungsvorrichtung 3.0 annähernd im Mittelpunkt des Kreisbogens. Durch eine einfache Drehung der Reinigungsvorrichtung kann somit der gesamte Wärmetauscher 1.7 gereinigt werden. Die Auslassdüsen (siehe 1) der Reinigungsvorrichtung sind zu dem Wärmetauscher 1.7 hin orientiert, sodass der austretende Dampf direkt auf die Oberfläche des Wärmetauschers 1.7 anströmt.
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4 zeigt das gleiche Beispiel aus 1 mit einer alternativen Wasserversorgung statt eines Druckanschlusses ist dem Rückschlagventil 3.3 ein Pumpzylinder 3.11 vorgeschaltet. Das Magnetventil 3.2 kann in diesem Fall weggelassen werden. Bei Betätigung des Pumpzylinder 3.11 wird dem Verdampfungsmodul 3.5 eine definierte Menge Flüssigkeit über das Rückschlagventil 3.3 zugeführt. Diese definierte Menge Flüssigkeit hängt unmittelbar von der Geometrie (Querschnittsfläche und Hub) des Pumpzylinders 3.11 ab, die auf das Verdampfungsmodul 3.5 abgestimmt sein kann. Wie oben erwähnt kann der Reinigungsvorgang zyklisch (beispielsweis zeitabhängig oder abhängig vom Grad der Verschmutzung des Wärmetauschers) gesteuert werden, wobei der Pumpzylinder in jedem Zyklus einmal betätigt wird, um die definierte Menge Flüssigkeit in das Verdampfungsmodul 3.5 zu injizieren. Abgesehen von der Wasserversorgung ist 4 identisch mit 1.
