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Die vorliegende Erfindung betrifft Ventile zur Anwendung in Hochdruckgasleitungen,
wie z. B. in der Druckluftanlage eines Unterseebootes.
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Leer plUzliche Zustrom von Gas aus einer Hochdruckquelle in einen
Raum mit niedrigerem Druck führt im allgemeinen zu einem Temperaturanstieg in dem
Niederdruck raum oder "Empfänger". Bei gegebenem Druckunterschiedhängt dieser Temperaturanstieg
in erster Linie von'drei Größen ab: der Gasart, dem Betrag des Druckanstieges in
dem Empfänger und der Fähigkeit des Empfängers, die Wärme abzugeben. Der Temperaturanstieg
in dem Empfänger ist von-besonderer Bedeutung in Anlagen, die_Gase enthalten, die
auch nur geringe Mengen von brennbarem Material aufweisen, .wie zum Beispiel eine
DruclkXluftanläge, bei der geringe Ölmengen aus den mechanischen Verdichtervorrichtungen
in die Luft eingeführt werden. Nach einer gewissen Betriebszeit einer der derartigen
Anlage .@inde.t .man in solchen Gasrohr-_leitungen Öl oder anderes entflammbares
Material entweder in kleinen isolierten Taschen oder als ein sich auf die Rohrwände
auflegender Film. Steigt die Gastemperatur in einem Teil der Leitungsanlage bis
zu dem Zündpegel des Öls oder des anderen entflammbaren Materials, kann eine Explosion
hervorgerufen werden mit der'sich hieraus ergebenden Beschädigung der
Anläge
und den für das Bedienungspersonal möglichen Unfall.-folgen. Der Temperaturanstieg
in dem aufnehmenden Teil der Anlage, der sich aus dem Zufluß von Hochdruckgas ergibt,
kann .und hat bereits zu solchen Explosionen geführt, Diese Enplosionsgefahr ist
besonders bei Druckluftanlagen von Unterseebooten gegeben, bei denen Druckluft oft
in verhältnismäßig kleine Räume der Leitungsanlage eindringen kann.
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Die vorliegende Erfindung betrifft in erster Linie eine verbesserte
Ventilkonstruktion zur Anwendung in Hochdruckgasanlagen, die eine Explosionsgefahr
auf Grund des Temperaturanstieges in dem Empfänger nach dem Öffnen des Ventils verhindert.
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Die Erfindung betrifft weiter eine Ven ilkonstruktion zur An-Wendung
in Hochdruckgasanlagen, bei der eine: Explosionsgefahr auf Grund der Ventilöffnung
nusgeschl(a:tet wird, ohne daß hierzu die mit einem Kugelventil mögliche schnelle-Abscl-altung
preisgegeben werden muB. D Das Ventil nach der Erfindung-zur Anwendung in Hochdruckgasanlagen
enthält ein Ventilgehäuse mit Einlaß- und AuslaßOffnungen, eine in dem Raum innerhalb
des Gehäuses angeordnete Kugel, in dem Gehäuse vorgesehene Haltemittel zur drehbaren
Lagerung der Kugel, einen in der Kugel vorgesehenen Flüssigkeitsdurchgang, der in
der ersten Drehstellung: der Kugel eine Verbindung zwischen den Öffnungen ergibt,
wobei die Kugel in ihrer zweiten Drehstellung einen Flüssigkeitsdurchgang'zwisehen
den
Öffnungen verhindert und die Kugel mit einem zweiten Flüssigkeitsdurchgang versehen
ist, dessen wirksamer Querschnitt wesentlich kleiner als. der Querschnitt des ersten
Flüssigkeitsdurchganges ist und der so liegt, daß_in einer dritten Drehstellung
der Kugel ein Druckausgleich zwischen den Einlaßung Auslaßöffnungen in steuerbarem
Maß stattfinden kann.
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Andere und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung
ergeben sich eingehender aus der #( folgenden Beschrei-. bung der Erfindung, wenn
diese im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird. Dabei ist
Fig. 1 ein Längs-Querschnitt durch eine Ventilkonstruktion nach der Erfindung, wobei
das Ventil in der geöffneten Lage gezeigt wird, Fig. la eine Aufsicht auf das in
Fig. 1 gezeigte Ventil in Schließstellung, Fig. 2 eine Endansicht einer gemäß der
Erfindung konstruierten Kugel, Fig. 3 eine Aufsicht auf die in Fig. 2 gezeigte Kugel,
Fig. 4 ein Längsschnitt entlang der Linie ;4 - 4 in Fig'. 3, Fig. 5 eine bruchstückweise
Aufsicht auf' einen Teil der`- Ober= flache einer Kugel, wobei eine bevorzugte Konstruktiorisform
dargestellt wird,
Fig. 6 ein Schnitt entlang der-Linie 6 - 6 nach
Fig. 5, Fig. 7 ein schematisches Diagramm, das die Wirkungsweise des Ventiles nach
der Erfindung in Schließstellung zeigt, Fig. 8 eine Fig. 7 ähnliche Darstellung,
die das Ventil in Abblasstellung zeigt, Fig. y eine Fig. 7 ähnliche Darstellung,
die das Ventil in geöffneter Stellung zeigt, Fig: 10 eine Aufsicht auf die in Fig.
1 gezeigte Anschlagplat-. te in Abblasstellung und Fgo 11 eine Kurvenschar, die
die Abhängigkeit zwischen bestimmten Konstruktionsparametern erläutern.
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Die Zeichnung und besonders Fig. 1 zeigt eine Ventilkonstruktion nach
dem Erfindungsprinzip. Das@Ventil besteht aus einem Ventilkörper 20 mit einem axial
verlaufenden Flüssigkeitsdurchgang 21; einem Schwanzstück 22, das an einem Ende
'des Ventilkörpers 20 anliegt,-einer Befestigungsmutter 23, die am anderen Ende
des Ventilkörpers 20 anliegt, und einem Schwanzstück 24, das am anderen Ende der
Mutter 23 anliegt. Das Schwanzstück 22, die Befestigungsmutter 23 und das Schwanzstück
24 %reiSen axial verlaufende Flüssigkeitsdurchgänge 25-26 bzw.
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27 auf, die mit; dem Flüssigkeif;sdurchgang 21 in Verbindung ste=
hen und axial auf diesen ausgerichtet sind. Das Schwanzstück 22
| wird mit dein Ventilkörper 20 durch eine Mutter 28 zusammen@;e- |
| hal.ten, die auf die äußere. Zylinderf.läehe des Ventilkörpers |
| 20 aufgeschraubt ist. Eine Mutter 219, die.auf älinlictie
Weise |
| auf' die äußere Zylinderfläche des Ventilkörpers 20 auf'i2;esctiraulit |
| ist, hält das Schwanzstück 2'_4 mit dein Ventilkörper 20 und
der |
| Mutter 23 zusammen: Die Mutter 23 ist in eine innere Zylinder- |
| fläche des Ventilkörpers 20 eingeschraubt. Geeignete Dichturi- |
| den, wie-z. E. "0"- Hinge 30 sind zuiti Vermeiden eines Durch- |
| leckens zum Erzielen von druckfesten Abdichtungen vorgesehen. |
| Der Ventilkörper 20 weist eine axial verlazl"ende ringförmige |
| Fläche 31 und eine radial verlaufende ringförmige Fläche 32
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| auf, die einen Ventilsitz 33 bilden. Der Ventilkörper 20 u:eist |
| weiter eine axial verlaufende ringfjmiee Fläche 34 aui', die |
| zusammen.mit der _ radi_31 verlaufenden Fläche 35 am Innenende |
| der Mutter 23 einen Ventilsitz 36 bildet. Die Ventilsitze |
| und 36 sind axial aufeinander ausgerichtet und liegen unter |
| Bildung -einer Kammer in axialem Abstand voneinander. -Die
Kam- |
| mer enthält eine-das Ventilverschlußelement bildende Kugel
37. |
| Die. Kugel 37 wird in ihren Einzelheiten in den Figuren
2 - 4 |
| gezeigt, hat sphärische Form und in der Mitten einen zy-lin- |
| drischen -Durchgang 38, der zum Herstellen einer. Verbindung |
| zwischen.der Oberstrom- und Unterstromseite des Ventils auf |
| die Durchgänge 21 und 26 ausgerichtet werden kann, Die sich |
| gegenüberliegenden Enden der Kugel. sind weggenommen, um abge- |
| rundete, ringförmiGe',.mit den Dichtungen 'in Berührung liegen- |
| de -Nasen= 39 arid 40 zu bilden.- |
| 'pur !,ufnatiine eines Veri,Ilsi;ößels Gintl recri e;c:lförtnite
IS tsri_I_itze |
| 41 und 42 vc@rj:esehen, die entlang einer, Zu der l`,c:riae
des Durch- |
| zanges _)(3 senkrecht stehenden Achse verlaufen. Mur ein @c:ha_itz |
| ist erforderlich. Es ist aber jeder Seite des |
| vur°efit:arib;cs 38 ein:n Schlitz vorzt.isehen, urrt die Kugel
symine- |
| tri;;ch zu--machen. |
| In die. Vfand der Kugel 37 ist ein kreisförtni-_;es Loch )E;
cini#e- |
| bührt, das aus eitlem nachstehend noch erläui;erten Grund .eine |
| Verbindung zt;i2cheri der P. ußcnseit.eder KuL@el und dem Durchf@anL; |
| 38 bildet. S-hrä#g-egenüber dem ,Loch 43 ist ein weiteres kreis- |
| förmiges Loch 44 in die Wand der Kugel 37 eingebohrt. Die Lö- |
| cher /4J, und 44 liegen aüL' einer gemeinsamen Achse, die in |
| einer Eberie liegt, welche die Achse des DurchLanges 38 enthält. |
| Die Achse der Löcher 1E3 und I14 kann gegenüber der
Achse des |
| DurchganL@es 38 einen Winkel, z. I-i. e:inen LUnkel
von 50°, ein- |
| schließen. |
| Wie in h,ig. 1 dargestellt, wird die Kugel 37 zwischen z":ei
, |
| ringförmigen Sit_zdichturigen 45 und `h6 g'erialten, die aus
jedem |
| geeigneten Material bestehen können. Ein bevorzugtes Material |
| ist mit Molybdändisulfid imprägniertes ,Nylon. |
| hin allgemein zylindrischer Ventilstößelr 47 ist drehbar in |
| einer seitlich verlaufenden Öffnung in einem Haubenteil 48
des @. |
| Ventilgehäuses 20 gelagert. An seinem unteren Ende ist der
Ven- |
| tilstöße-1 1l-7 entsprechend dem Schlitz 41 der Kugel j7,geforrnt9 |
| so daß eine Dreriüng des .Ventilstößels 47 eine entsprechende |
| Dreliuniider I'izf;el J7 liervc-)rrui't. Der Ventilstößel
47 dreht |
| siele auch in einer Haubenkappe 11y, die auf' der Oberseite
der |
| Haube ltü angebracht ist-,und in einer AI)blasstellung-P,rischlag- |
| pl".ttte 50, die oben auf der Haubenkappe 49 befestigt i:;t.
Ein |
| Hebel 111 zum Bedienen des Ventils ist aia oberen Ende des
Stö- |
| ßel.s Il j befestigt und wird auf' diesem von diner Mutter
52 fci@ |
| halten. Unter dem hedienunf#,sllebel 51 trägt der Ventilstößel |
| 117 noch einen Anschlagarm |
| An einem Ende weist der Anschlagarm 53 zur Aufnahinceines Stif- |
| tes 511 eine senkrechte= l3ohrunfauf'. Das untere Ende 55 des |
| Stiftes 511 paßt gerade in die Bohrung in dem Arm 53,
während |
| oberhalb des unteren Endes 51) eine Schulter vorgesehen ist, |
| die das Ende einer Spiralfeder 56 abfänf;t. Die Feder 56 drückt |
| den- Stift 511 nach unten. Die Abwärtsbewegung .des Stiftes
51+ |
| wird durch das Anschlagen eines am oberen Ende des Stiftes
.511 |
| gehaltenen Kopfes 57 auf die Oberseite des Armes 53" gehemmt. |
| Der Knopf 57 läßt sich mit der Hand anheben, so daß das un- |
| tere Ende 55 des ;@.tiftes 511 vollständig in die Bohrung in
dem |
| Arm 53 eingeschoben werden kann. In der in Feg, 1 zeigten La- |
| ge des Handgriffes 51 ruht die Unterseite des AischlagstiftBs |
| 54 auf der Oberfläche der Platte 50. |
| Die Oberflächenform der Anschlagplatte 50 erk#ibt sich am be- |
| sten aus den Figuren la und 10. Fg. la ist eine Aufsicht erst- |
| sprechend Fit;. 1, wobei aber das Ventil statt in der Öffnungs- |
| stellung in SchlieL?stel.lurii; E@ezrift wird. Die Anschlagplatte |
| 50 hat an einer Seite eine Von clen #Li(:liuli;erii °__,@t!)q
und G0 ge- |
bildete Öffnung 50a. Das untere Ende 55 des Stiftes 54 tritt in
die Öffnung 50a ein, sobald der Handgriff 51 entsprechend eingestellt ist.
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Berührt das Ende 55 des Stiftes 53 die Schulter 58, wie in Fig. la,
ist das Ventil geschlossen. Berührt das Ende 55 die Schulter 60, befindet sich das
Ventil in der Abblasstellung, in der die Bohrungen 43 und 44 so ausgerichtet sind,
daß der Druck zwischen dem Oberstrom- und Unterstromende des Ventiles ausgeglichen
wird. Dreht man den Handgriff 51 um 90o aus seiner Schließstellung, ist das Ventil
vollständig geöffnet und der ICugeldr%chgang 38 auf.die Durchgänge 25, 21, 26 und
27 ausgerichtet, wie dies Fig. 1 zeigt. In dieser Stellung liegt das untere
Ende des Stiftas 54 auf der Oberfläche der Platte 50 auf, wie Fig. 1 zeigt. - -Bei
geschlossenem Ventil wird bei einer Drehung des Handgriffes 51 entgegengesetzt zur
Uhrzeigerrichtung, wie dies durch den Pfeil 64 in.Fig. la gezeigt wird, das Ende
55 de-s Stiftes 54 mit der Schulter 60 in Berührung gebracht.und diese Berührung
verhindert eine weitere Drehung des Handgriffes 51, bis der Knopf 57 mit der Hand
angehoben wird, um das Ende 55 des Stiftes 54 außer Eingriff mit der Schulter 60
zu heben. Nach einem solchen Anheben des Stiftes 55 von Hand aus kann der Handgriff
51 in die vollständig geöffnete Stellung dez Yentiles gedreht Hand n werden. Eine
Drehung des 51 über die vollständig geöffnete und die vollständig geschlossene Stellung
hinats wird durch Anschlagen des Armes 53 an den Nocken 61 bzw. 62 verhindert.
Die
offene Stellung des Ventiles wird durch die eingravierte Anschlagmarke 65 auf der
Oberfläche der Platte 50 angezeigt. Die Marke wirb mit einem auf dem Handgriff 51
vorgesehenem Zeiger 66 (Fig. la) zusammen. Ähnliche eingravierte Marken 67 und 68,
die der Abblas- und Schließstellung des Zeigers 66 entsprechen, sind ebenso auf
der Platte 50 vorgesehen. Die Wirkungsweise des Ventiles läßt sich am besten unter
Bezug auf die Figuren 7, 8 und 9 verstehen, die schematische Ansichten entsprechend
Schnitten sind, die quer zu der Ventilachse in Fig. 1 genommen werden und das Ventil
in geschlossener, Abblas- und geöffneter Stellung zeigen. In Fig. 7 befindet sich
der Durchgang 38 vollständig außer Verbindung mit den Durchgängen 21-und 26.-Jeder
der Durchgänge 21 und 26 kann als auf der Oberstromseite des Ventiles liegend angenommen
werden. Unter der Annahme, daß der Durchgang 26 die' Oberstromseite darstellt, verhindert
die Abdichtung zwischen der Kugel 37 und einer allgemein mit 69 bezeichneten ringförmigen
Fläche der strömungsabwärts gelegenen Sitzdichtung 45 das Übertreten von -Hochdruckgas
aus dem Durchgang 26 in den Durchgang 21. Man erkennt, daß sich der Durchgang 43
innerhalb der Fläche 69 in Fig. 7 befindet. Wird die Kugel 37 in die Abblasstellung
nach Fig. 8 gedreht, befindet sich der Durchgang 38 immer noch nicht in unmittelbarer
Verbindung mit den Durchgängen 21 und 26, aber der Gasdruck auf der Oberstromseite
bewirkt, dal3 Gas aus dem Durchgang 26 in den Durchgang 21 strömt über den Weg,
der durch das Abblasloch oder den Durchgang 44, den Durchgang 38 und das Abblasloch
oder den Durchgang 43 gebildet wird. Ist
der Druck ausgeglichen
oder im wesentlichen ausgeglichen, so daß eine Expbsionsgefahr nicht -mehr besteht,
wird die Kugel -37. in die in Fig.. 9 gezeigte Stellung bewegt,- in der eine freie
Verbindung zwischen den Durchgängen 21 und 26 unmittelbar durch den Kugeldurchgang
38 geboten wird. Bei- den bis heute in den Druckluftanlagen von Unterseebooten verwendeten
Kugelventilen war es üblich, die Ventile nur _,sehr langsam zu öffnen, um die' Explosionsgefahr
herabzusetzen. Eine Folge@dieses langsamen Öffnens war eine Neigung des Luftstromes.,
die Sitzdichtung auf der Unterstromseite anzufressen. Ordnet man das Abblasloch
43 auf der Unterstromseite so an, daß die Luft während des Abblasens nicht unmittelbar
auf die Sitzdichtung 45 auftrifft, wird ein solches Anfressen vermieden,- Da weiter
ein Anschlag vorgesehen ist, der die Kugeldrehung in Abblässtellung unterbricht,
läßt sich die Abblasstellung ohne Verhögerung erreichen, so daß ein Anfressen während
der Bewegung der Kugel in ihre Abblasstellung verhindert wird.
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Es ist erwünscht, die Verbindungslinie der Löcher oder Durchgänge
43 und 44 der Kugeloberfläche abzuschärfen, um eine Beschädigung der Sitzdichtungen
45 und 46 zu vermeiden. Dieses Entschärfen läßt sich nach der Darstellung in den
Figuren 5 und 6 dadurch erreichen, indem eine vertiefte oder-konkave Aussparung
vorgesehen wird, deren Tiefe etwa gleich einem Viertel des Durchmessers der Bohrung
43 ist, deren Form allgemein elliptisch ist, mit einer Hauptachse, die etwa dreimal
so groß wie der Durchmesser der Bohrung 43 ist, und mit einer Nebenachse, die etwa
gleich dem zweifachen Durchmesser der Bohrung 43 ist:
Die Bohrungen
oder Durchgänge 43 und 44 haben vorzugsweise den gleichen Durchmesser und es ist
erwünscht, daß dieser Durchmesser so groß wie möglich ist in Übereinstimmung mit
der Notwendigkeit eines Durckausgleichs ohne'Explosionsgefahr. Umso kleiner der
Durchmesser dieser Bohrungen ist, umso größer ist die für den Druckausgleich erforderliche
Zeit. Je kleiner der Durchmesser ist,@umso geringer ist aber auch der Temperaturanstieg
auf der Empfängerseite, Der Temperaturanstieg auf der Empfängerseite hängt von dem
über dem Ventil " liegenden Druckunterschied und von den Wärmeübertragungseigenschaften
und dem Volumen der Durchgänge auf der Empfangsseife ab. Diese Faktoren bestimmen
weitgehend den für die Bohrungen 43 und 44 erforderlichen Durchmesser.
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Bei der Betrachtung von Hochdruckluftanlagen in Unterseebooten (315
kg/cm 2 ) ist ein Aufnahmevolumen entsprechend einer Rohrlänge von 5,50 m ein typisches
Beispiel. Ein empirisch gefltndenes Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Abblaslöches
und der bei verschiedenen Rohrlängen erforderlichen fibblaszeit zeigt Fig. 11, in
der der Lochdurchmesser über der zum Druckausgleich-erforderlichen Zeit logarithmisch
aufgetragen ist. In jedem Fall liegt der zu Beginn bestehende Druckunterschied bei
315 kg/cm 2. Für die.Rohrgrößen ist der Nennwert des Innendurchmessers nach Tabelle
80 IPS angegeben, In Fig. 11 stellt jede Linie 70, 71, 72, 73, 74, 75 und 76 den
geometrischen Ort von PÜnkten dar, die bestimmt werden durch Abblasen einer Druckluftquelle
von 315 kg/crn2 in eine Rohrlänge
von 5,50 m über Abblaslöcher
verschiedener Durchmesser, woben der Durchmesser der Löcher Über der zum Druckausgleich
erforderlichen Zeit aufgetragen wirda Anfangs befinden sich die aufnehmenden Rohre
auf Atmosphärendruck. Die Luft wurde mit einer kleinen einheitlichen Menge von mitgezogenem
Schmieröl beladen, die von einem Docht im Kompressoreingang mitgerissen wurde und
dazu dienen sollte, die typischen in den Druckluftanlagen von Unterseebooten zu
erwartenden-Bedingungen nachzuahmen.
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Für jeden gegebenen Aufnahmerohrdurchmesser wurde beim Vergrößern@des
Durchmessers des Abblasloches ein Punkt erreicht, an dem die Temperatur indem Aufnahmerohr
den Zündpunkt für das Öl erreichte. Die Kurve 77 stellt den geometrischen Ort für
die Durchmesser der Abblaslöcher dar, an dem ein Zündzustand von einem Nichtzündzu
tand getrennt wird. Unter den-angegebenen Bedingungen stellen daher die Schnittpunkte
der Linien 70 - 76 mit-der Kurve 77 den kleinsten sicheren Abblaslochdurchmesser
fUr die-entsprechende Größe des Aufnahmerohres dar, Man erkennt, daß sich die Kurve
77 bei Durchmessern des Aufnahmerohres unter etwa 19 mm zu. biegen beginnt und einen
konstanten Wert- von etwa 0,8 mm für Aufnahmerohr-Durchmesser von weniger als etwa
9,5 mm erreicht, Man 'nimmt an,.daß einer der Gründe für das . Abbiegen der Kurve
77 darin liegt, daß bei einer Verkleinerung des Rohrdurchmessers das Abkühlender
Luft in dem Aufnahmemohr durch die Wände des Aufnahmerohres weniger bedeutsam wird.
Bei Vernachlässigung dieses Kühleffektes würde_ die Kurve-779 wie bei 77t angedeutet,
weiterverlaufen,
Einige wenige typische experimentelle Punkte werden
in Fig. 11 gezeigt. So z. B. entsprechen bei einem Aufnahmerohr von 2 Zoll Durchmeeser
die Punkte 7$, 79, 80 und 81 Abblasloeh-Durchmessern von 1,17, 1,3, 1,5 und
1,7 mm, Die den Punkten 78 und 79 entsprechenden Abblaszeiten (52,5 und 41,5 Sek.)
waren ausreichend groß, so daß keine' Zündurig auftrat. Die Abblaszeiten für die
Punkte 8Q und 81 (30 bzw. 22 Sek.) waren dagegen'so kurz, daß der Temperaturanstieg
irr dem Aufnahmerohr zu einer Zündung des Öl-Luftgemisches führte, wobei dieser
Vorgang dem Verhalten. in einem Dieselmotor vergleichbar. ist. Die Punkte 82 und
83 stellen für ein Rohr mit 38 mm Durchmesser Punkte ohne Zündung dar, während der
Punkt 84 eine Zündung in diesem Rohr angibt. Der Punkt 85 stellt fUr ein Rohr-mit,
einem Durchmesser von 19 mm einen- Punkt ohne Zündung dar, während die Punkte 86
und 87 eine Z%ndung für dieses Rohr bedeuten.
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Es sei daran erinnert, daß Fig. 11 lediglich eine bestimmte Zustandsart
darstellt. Beim Ändern der Veränderlichen ergeben sich andere Verhältnisse, z. B.
wenn man die Länge der Aufnahmerohre oder deren Wandstärke ändert.