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Sicherheitsschalteinrichtung für die Heizwendeln eines Durchlauferhitzers
Die Erfindung bezieht sich auf eine auf Lufteinschlüsse ansprechende Sicherheitsschalteinrichtung
für die in Wasserdurchlaufrohren,oder -kanälen liegenden unisolierten Heizwendeln
eines Durchlauferhitzers mit vor der ersten Heizwendel angeordnetem Meßgliedo Der
Sicherheitsschalteinrichtung kommt dabei die Aufgabe zu, die beim Durchwandern von
Lufteinschlüssen ganz oder teilweise wasserfreien Heizzrendeln infolge dann schlechteren
Wärmeüberganges vor dem Durchbrennen zu bewahren. Da unisolierte Heizwendeln diesbezüglich
hochempfindlich sind, muß die Sicherheitsabschaltung binnen Bruchteilen einer Sekunde
erfolgen. Zu diesem Zweck hat man das Meßglied im Wasserdurchlaufrohr - in Durchlaufrichtung
gesehen - vor der ersten Heizwendel angeordnet. Eine derartige Anordnung ist aber
in bezug auf das Abschalten nur sinnvoll, wenn die Sicherheitsschalteinrichtung
nur von Hand wiedereinschaltbar ist, da selbsttätige Wiedereinschaltungen bei den
bekannten Anordnungen lediglich erkennen lassen, daß Lufteinschlüsse das Meßglied,
nicht jedoch die nachgeordneten Heiztrendeln bereit passiert haben, so daß die Gefahr
des Durchbrennens nicht mit Sicherheit gebannt ist, es sei denn, daß man sich eines
Wiedereinschaltzeitverzögerungsrelais bedient, dessen Kosten und Raumbedarf - gemessen
am Durchlauferhitzer - sich sehr hoch ausnehmen. Auch würde dann bei normalen Wiedereinschaltungen,
beispielsweise
von einem bei Zapfbeginn und -ende ein- bzw. ausschaltenden Wasserdruckschalter
her, die Temperaturanlaufzeit bei Zapfbeginn sich unerwünschterweiseverlängern.
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Eine bekannte, im genannten Sinne arbeitende Sicherheitsschalteinrichtung
wirkt in Abhängigkeit von einer für die Medien Wasser und Luft unterschiedliche
Werte aufweisenden physikalischen Größe, insbesondere der Dichte des durch die Kaltwasserzuleitung
zum Widerstands-Elektrodendurchlauferhitzer jeweils strömenden Mediums. Realisiert
sieht das so aus: in einen Wasserraum einströmende Luft sammelt sich in einer Glocke,
die vermöge des ihr dabei zuteil werdenden Auftriebs sich vor die Wasserrohreinmündung
legt und damit den Durchlauf auf einen unterhalb der Wasserdruckschalteransprechmenge
liegenden Wert drosselt, so daß die Heizleistung ausgeschaltet wird. Die eingeschlossene
Luft entweicht dabei und dann langsam über ein Entlüftungsrohr in das Wasserrohr,und
die Glocke gibt den Wasserdurchlauf anschließend infolge Nachlassens des Auftriebes
frei, so daß der Wasserdruckschalter wiedereinschaltet, aber zu einem Zeitpunkt,
in dem sich noch Lufteinschlüsse auf dem Wege zu den fieizwendeln oder in
diesen befinden. Da die selbsttätige Wasserdurchlaufverringerung bis zum Verschließen
des Wasserrohres jedoch nur relativ langsam vor sich gehen kann, erwärmt sich die
kleiner werdende Durchlaufmenge an den nach wie vor gleiche Wärmemengen abgebenden
Heizwendeln über die Gebrauchstemperatur hinaus. Es sind also noch weitere unerwünschte
Begleiterscheinungen vorhanden.
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Die gleichen Nachteile ergeben sich aber auch bei Wasserdruckschaltern,
die ohne derartige Zusatzmechanismen zugleich als Sicherheitsschalteinrichtungen
dienen, indem die zugehörige
Drosselstelle so ausgebildet ist, daß
sowohl. beim Durchgang von Wasser als auch einem WasserlLuft-Gemisch die Strömung
laminar bleibt, während in einer zweiten, lediglich nachgeordneten Drossel mit einer
gegenüber der ersteren. kleineren Öffnung die Strömung beim Durchtritt eines Wasser/
Luft-Gemisclaes mit größerem Luftanteil in eine turbulente umschlägt und
folglich den Durchlauf so stark hemmt, daß die Wasserdruckschalteransprechmenge
unterschritten und damit die Heizleistung ausgeschaltet wird.
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Beide Sicherheitssch.alteinrichtungen verursachen insbesondere infolge
mehrerer unumgänglicher scharfwinklinger Umlenkungen und einer Drosselung im Ventilsitz
bzw. mehrerer Drosselstellen so starke Druckverluste, daß der Wasserdruckschalter
erst ab Fließdrücken > 1,5 atü, gemessen vor dem Widerstands-Elektrodendurchlauferiiitzer,
anspricht und nicht, wie vielfach von den Wasserwerken und deal Besitzern gefordert,
ab Werten D,5 atü.
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Sicherheitsschalteinrichtungen sind aber auch in Verbindung mit Thermostatsteuerungen
bekannt geworden. Diese bestehen aus einem an der höchstgelegenen Stelle des Wasserraumes
angebrachten und überein Schutzrohr herausgeführten Bimetall, das von einer mit
den Heizwendeln elektrisch in Reihe geschalteten Hilfswendel beheizt wird. Diese
Einrichtung arbeitet aufgrund ihrer Anordnung u.nd ihres Aufbaues naturgemäß sehr
träge und ist zur Vermeidung von überhöhten Wassertemperaturen und Dampf ausgelegt,
jedoch nicht zum Erfassen von Lufteinschlüssen im kalten Zulaufwasser geeignet.
Zudem bedient man sich hier bei der Sicherheitsschalteinrichteng teilweise einer
Heizwendel und dies an exponierter Stelle, um andererseits weniger gefährdete Heizwendeln
zu schützen. Es versteht sich, daß der Hilfsheizwendel keine größere Lebensdauer
beschieden sein kann, da sie einer Luft- und Dampfbeaufschlagung, also Trockengang
und damit hohen Temperaturen bevorzugt ausgesetzt ist.
Schneller
arbeitet eine bekannte Einrichtung, bei welcher.der Dampf, der durch die Überhitzung
der Heizwendel bei Lufteinschlüssen entsteht, das Abschalten der Heizwendeln durch
einen Membran-Druckschalter bewirkt (DAS 1 062 845). Auch,bei dieser Einrichtung
werden die Heizwendeln erst abgeschaltet, nachdem sie bereits überhitzt sind.
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Außerdem ist bei nach dem Ab- oder Überlaufverfahren arbeitenden,
drucklosen Kochendwasserspeichern mit elektrischer Beheizung - wie z.B. Kaffeebrühmaschinen
- die Verwendung von Tastel.ektroden in Verbindung mit im Wasserzulauf angeordneten
Magnetventilen zur Wasserstandsregulierung bekannt. In diesem Zusammenhang kann
es als naheliegend angesehen werden, dieselben zum Ausschalten der Reizeinrichtung
bei Wasserspiegelabsenkungen als Trockengehschutzeinrichtung zu verwenden.
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Der Erfindung liegt eine Sicherheitssch a1 teinrichtung zugrunde,
die druckverlust- und trägheitslos schon beim Ausströmen kleiner und ggf. auch kleinster
Lufteinschlüsse im die Heizwendeln abschaltenden Sinne anspricht und darüberhinaus
selbsttätig erst wieder einahaltet, wenn die Lufteinschlüsse die Heizwendeln passiert
haben.
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Dieses wird erreicht mit einer auf Lufteinschlüsse ansprechenden Sicherheitsschalteinr3chtung
für die in Wasserdurchlauf-b roteren oder -kanälen liegenden unisolierten Heizwendeln
eines Durchlauferhitzers mit vor der ersten Heizwendel angeordrxtem Meßglied, wenn
erfindungsgemäß das Meßglied in Form eines an Sich bekannten Tastelektrodenpaares
ausgebildet ist und wenn dieses in einem mit Mitteln zur Verzögerung der Wanderung
von Lufteinschlüssen versehenen, vom elektrischen Strom durchflossenen Wasserweg
eines Bypasses angeordnet let, der wassertechnisch parallel -im Wasserdurchflußrohr
liegt und dessen Abzweig vom Wasserdurchflußrohr sowohl in Auftriebsrichtung als
auch in Durchlaufrichtung vor der zuerst durchflossenen Heizwendel liegt.
Schon
bei winzigen Unterbrechungen des Wasserpfades im Bypass durch Lufteinschlüsse und
damit zumindest zeitweilig zwangsweise zwischen den Polen des Tastelektrodenpaares
spricht die Sicherheitsschalteinrichtung mit Sicherheit an. Die Mittel zur Verzögerung
der Wanderung von Lufteinschlüssen, als welche vorzugsweise vorbestimmbare Querschnzttsverringerungen
auf größerer Länge des vom elektrischen Steuerstrom durchflossenen Bypassteiles
und/oder erhöhte Wandrauhigkeit bzw. einstellbare Drosseln in demselben anzusehen
sind, bewirken, daß die Wasserbrücke zwischen den Polen des Tastelektrodenpaares
für eine längere Zeit durch Lufteinschlüsse unterbrochen wird als der Verweilzeit
einer gleichzeittg anströmeriden, jedoch im Durchlaufrohr verbleibenden gleichen
oder größeren Luftmenge im Reizwendelbereich entspricht.
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Eine derartige Sicherheitsschalteinrichtung kann auch zugleich als
Sicherung gegen Trockengehen der Heizwendeln, hervorgerufen durch Rücksaugen, sich
ansammelnde Dampfnester bzw. Luftpolster oder sonstige Absenkungen des Wasserspiegels
ausgelegt sein, dazu ohne zusätzliche Mittel und dies, indem ein Pol des Tastelektrodenp
m res im Wasserraum oder -rohr oder Bypass oberhalb der/ höchsten gelegenen Stelle
der Heizwendeln angeordnet ist. Hier kann sogar noch eine Vereinfachung - wie überhauptstattfinden,
wenn ein Heizwendelanschluß mit einem Pol des Tastelektrodenpaares vereinigt ist,
so daß die Zahl der elektrischen Durchführungen durch die Wasserdurchlaufrohrwand
oder dergleichen sich um eins verringert.
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Wählt man hierzu den in Durchlaufrichtung zuletzt angeordneten Heizwendelanschluß2
so kann man auch die sich am zugehörigen Hexzwendelende normalerweise zuerst im
Überhitzungsfalle bildenden Dampfblasen zu einerSicherheitsabschaltung heranziehen,
wenn man nicht von den dampfbildungsgefährdeten
Stellen des Widerstands-Elektrode+
durchlauferhitzers in Durchlaufrichtung abzweigende, d.h. dem Staudruck ausgesetzte
wasserführende Verbindungen zu einem der Pole des Tastelektrodenpaares oder seiner
Wasserbrücke führen will.
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Es vasteht sich im Rahmen der Erfindung, daß auch ein lediglicli im
Hauptdiirchlaufrohr angeordnetes Tastelektrodenpaar mit vor oder vor und hinter
den Heizwendeln, vorzugsweise in Verengungen dortselbst befindlichen Polen eine
Sicherhei-tsabsclialtung auslöst, wenn auf das sichere Erfassen kleinerer durchströmender
Lufteinschlösse bzw. Lufteinschlußmengen kein Wert gelegt zu werden braucht. Eine
derrtige Anordnung kann aber nicht so sicher und ohne jede nachteilige Nebenwirkungen
sein wie die herausgestellte Bypasslösung. Voraussetzung für die Sicherheitsschalteinrichtung
ist jedoch, claß der im zugehörigen Steuerstromkreis durch die Spule des Schaltschützes
fließende Strom bei normalem Betrieb, also Wasserdurchlauf ohne Lufteinschlüsse,
groß genug ist, den Anker des Schaltschützes nicht nur in Schließstellung der Schaltkontakte
zu halten, sondern denselben beim Einschaltvorgang auch anzuziehen. Nicht bei allen
Wässern ist der den Spulens-trom mitbestimmende elektrische Wasserwiderstand zwischen
den Polen des Tastelektrodenpaares so klein, daß sich ein Spulenstrom ausbildet,
der Mindestens gleich, vorzugsweise jedoch größer ist als der notwendige Ankeranzugsstrom,
der bekanntlich ungleich größer ist als der praktisch immer zu belvrrschende Ankerhaltestrom.
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Ein zusätzlich zu den Schaltkontakten des Thermostaten oder Wasserdruckschalter-angeordneter,
der Spule des Schaltschützes nach Beginn des Einschaltvorganges bis zum Schließen
der Schaltkontakte vorübergehend Strom zuführender Wischerkontakt kann hier Abhilfe
schaffen.
Im folgenden wird der Erfindungsgedanke anhand eines Erläuterungsbeispieles
näher verdeutlicht.
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Es stellen dar: Figur 1 ein Schema eines Widerstands-Elektrodendurchlauferhitzers
nebst Schaltung Figur 2 ein vollstindiges elektrisches Schalt-Bild des Widerstands-Elektrodendurchlauferhitzers
gemäß Figur 1.
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Der Widerstands-Elektrodendurchlauferhitzer besteht aus einem elektrisch
isolierenden Wasserdurchlaufrohr 1 mit Zapfventil 2 und im Wasser liegenden, unisolierten
Heizwendeln 3, 4 (und 5 in Figur 2), die über Anschlüsse 6 1 7 ...
herausgeführt sind und bei normalem Betrieb von einem Differenzwasserdruckschalter
81 dessen Aufbau weiter unten nachzulesen ist, in bekannter Weise geschaltet
werden. Zum Wasser durchlaufrohr 1 ist ein Bypass 9 aus elektrisch isolierendem
Material mit in der durch einen Pfeil markierten Durchlaufrichtung vor der ersten
Iielzzfendel 3 angeordnötem, sich verjüngendem Abzweig 10 gelegt, dessen nicht gezeichnete
Längsachse mit einer Komponente in Auftriebsrichtung weist. Der Bypass 9 selbst
ist zwecks Verzögeiung der Wanderung von Lufteinschlüssen 11,
12 - gegenüber
nicht zu behindernden Lufteinschlüssen 13 im Wasserdurchlaufrohr 1 - an der Innenoberfläche
14 rauher und im Querschnitt ungld-- ch kleiner gehalten als das Wasserdurchlaufrohr
1 selbst. Im Bypass ' 9 ist eine einstellbare Drossel 15 und an einer weit oberhalb
der imWasserdurchlaufrohr 1 befindlichen Heizwendeln 3, 4 ... gelegenen Stelle
ein Pol 16 angeordnet, der mit einem am Anschluß 6 in Form eines Ansatzes ausgebildeten
zweiten Pol 17 ein im Wasser liegendes und auf die .Lufteinschlüsse 11, 12
im
Bypass 9 reagierendes Tastelektrodenpaar 16 bildet. Im einzelnen
arbeitet und setzt sich die hydraulischmechanische sowie elektrische Schalteinrichtung
des Widerstands-Elektrodendurchlauferhitzers zusammen wie folgt: Der Differenzdruckschalter
8, bestehend aus durch eine Schaltmembran 19 getrennten Hochdruckkammer 21 und Niederdruckkammer
20 mit wasserseitigen Anschlüssen 22 und 23 am Wasserdurchlaufrohr 1 bzw. an einer
in demselben befindlichen Venturidüse 24, steht über einen die bei zunehmendem Wasserdurchlauf
auf zugeordnete elektrische Schaltwerke 25, 26 gerichteten Membranbewegungen herausführenden
Hubstößel 27 mit den Schaltwerken 25, 26 in kraftschlüssiger Verbindung über einen
starren Betätigungsarm 28bzw. einen beweglichen Betätigungsarm 29, der bei aus dem
Differenzwasserdruckschalter 8 heraustretendem Hubstößel 27, gegen einen Anschlag
30 desselben gelehnt, das- Schaltwerk 26 über einen kurzen Schaltnocken 31 bereits
geschlossen , hat, wenn der starre Betätigungsarm 28 über einen langen Schaltnocken
32 das Schaltwerk 25 erst schließt. Im weiteren Verlauf der eingeleiteten, gleichsinnig
verlaufenden Bewegungen des Hubstößels 27 wandert dann der bewegliche Betätigungsarm
29 am kurzen Schaltnocken 31 vorbei, so daß sich das (Wischer )Schaltwerk 26 wieder
öffnet, während das Schaltwerk 25 infolge des länger ausgebildeten Schaltnockens
32 bis zum Ende der Bewegung des Hubstößels 27 geschlossen bleibt, wie durch unterbrochene
Linienführung angedeutet.
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Bei Rückgang des Hubstößels 27, ausgelöst durch Verringerung der Durchflußmenge
mit Hilfe des Zapfventils 2,
wird das Schaltwerk 26 nzsht wieder
vorübergehend eingeschaltet, da der bewegliche Betätigungsarm 29 bei dieser rückläufigen
Bewegung des FIubstößels 27 anschlagfrei ist und unter dem Schaltnocken 31 unter
Verdrehen im Uhrzeigersinn gegen die Kraft einer Rückholfeder 33 ohne denselben
und damit das Schaltwerk 26 zu betätigen, hinweggleitet, während im weiteren Verlauf
dieser rückläufigen Bewegung des Hubstößels 27 das Schaltwerk 25 ausschaltet. Das
Ein- und Ausschalten der Heizwendeln 3, 4s 5 (Figur 2) erfolgt über ein mit seinen
Schaltkontäktpaaren 34, 35, 36 in einem Dreiphasennetz R, S, T liegendes Schaltschütz
37, dessen Spule 38 zwischen zwei Phasen R, S desselben zum einen über das Schaltwerk
26 vorübergehend kurzgeschlossen werden kann und zum anderen über das Schaltwerk
25 sowie das durch eine Durchlaufwasserbrücke 39 verbundene Tastelektrodenpaar 18
an den Anschluß 6 für die Heizwendel 3 angeschlossen ist, die zusammen mit den restlichen
Heizwendeln 4, 5 elektrisch im Stern geschaltet sind.
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Beim Offnen des Zapfhahns 2 tritt der Hubstößel 27 weiter aus dem
Differenzwasserdruckschalter 8 heraus infolge des sich bei Wasserdurchl auf vor
und in der Venturidüse 24 unterschiedlich ausbildenden statischen Druckanteiles
im Wasser: Zuerst schließt das elektrische. (Wixher)Schaltwerk 26. Dadurch wird
die Spule 38 stromführend und damit die Schaltkontaktpaare 34, 35, 36 des
Schaltschützes 37 geschlossen; Heizstrom fließt nun durch die Heizwendeln 3, 4,
5 und parallel zu diel sen durch das Durchlaufwasser infolge der Elektrodenwirkung
der Anschlüsse 6, 7 ooQ lm weiteren Verlauf. der Hubbewegung des Hubstößels 27 öffnet
das Schaltwerk 26 .wieder, so daß der Spurenstrom gezwungen wird, seinen Weg ausschließlich
über die Durchlaufwasserbrücke 39 zu nehmen.
Die Spule 38 ist so
ausgelegt, daß der durch den elektrischen Widerstand der DurchlaufiN-asserbrücke
39 mitbestimmte Spu-Lenstrom unablicingig von der Leitfähigkeit aller möglichen
Wasser groß genug ist, das Schaltschütz 37 im geschlossenen Zustand zu halten. Da
der elektrische Widerstand der Durchlaufwasserbrücke 39 bei extrem schlecht leitenden
Wässern den Spulenstrom möglicherweise kleiner halten kann als für das einen größeren
Spulenstrom voraussetzende Anziehen des Schaltschützes 37 notwendig,ist für die
Spule 38 beim Einschalten - und nur bei diesem, nicht hingegen beim Ausschalten
- zwecknici1iigerweise das (Wischer) Schaltwerk 36 vorgesehen, denn beim Schließen
des Zapfhahnes 2 würde nämlich nach dem ordnungsgemäßen Offnen des Schaltwerkes
25 infolge Rückgang des Iiubstößels 27 dure?i (las nachträgliche, vorübergehende
Wiedereinschalten des Ieizstroines eine unerwünschte Nachheizung oder Überhitzung
der .in der zugehörigen Stellung des Differenzwasserdrucksuhalters 8 geringeren
burch@f@iißnienge stattfinden.
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Gü Langen nun im e ingeschal toten Zutand Lufteinschlüsse in (las
Wasserdurchlaufrohr 1, wie (lies beispielsweise bei vorgeschalteten, mit Windkesseln
arbeitenden Hauswasseranlagen bei unibemerktem Ausbleiben des elektrischen Stromes
nach längerem Zapfen der Fall zu sein pflegt, wird ein Teil der zuerst iaii(1 zugleich
anströmenden Lufteinschlüsse infolge ihres Auftriebes und der Ausbildung sowie Anordnung
des Ab-Zweiges 10 sich eher am Platze des gezeichneten Lufteinschlusses 11 als am
Anfang der ersten Heizwendel 3 einfinden. Auch wird der Lufteinschluß 12 sich schnell
mit dem Lufteinschluß 11 vereinigen und letzteren vergrößern im Gegensatz zii den
Lufteinschlüssen 13 untereinander - wenn überhaupt. Der Lufteinschluß 11 unterbricht
die Durchlauf-
-wasserbrücke 39 und clannit den Spul elistrom.
Das Schaltschütz 37öffliet und unterbricht den Heizstrom solange, bis der Lufteinschluß
11 und evtl @ weitere den pol 16 des Tastelektrodenpaares 18 passiert haben. Um
mit Sicherheit zu verhindern, daß die im Wasserdurchlaufrohr 1 verbliebenen, glelchzeltlg
ausstr önlenden Lufteinschlüsse 13 nicht länger im Bereich der Heizwendeln 3, 11,
5 verweilen als die den Spulen- und damit den Heizstrom unterbrechenden, abgezweigten
Lufteinschlüsse 11, 12 im Bypass vor dem Pol 16, kann die Wanderung der im engen
Bypass 9 auseinandergezogenen Lufteinschlii.sse 11, 12 außer durch die Quersclillittsverringerung
und rauhere Innenoberfl-iche 111 durch die ein-Drossel 15 weiter verzögert bzw.
reguliert werden. Haben die Lufteinschlüsse 11, 12 ini Bypass 9 deil Pol 16 passiert
und damit die Durclilaufwasserbrücke 39 wieder freigegeben,baut sich der Spulenstrom
wieder auf und der Heizstrom wird, wie bereits beschrieben, wieder eillgesclialtet.
Bei extrem schlecht elektrisch leitenden Wassersorten bedarf es evtl. eines kllr
zzei Ligen Schließens des Zapfhahnes 2, d.li. einer Nachhilfe über das Schaltwerk
26 beim Wiedereinschalten von Hand, d.li. einer vorübergehenden Stromzufuhr zur
Spule 3$ unter Umgehung der Durclilaufwasserbrücke 39, wodurch das Schließen des
Schaltschützes 37 erfolgt, wie eingangs beschrieben.
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Da Drosselungen des Wasserdurchl aufes in bezug auf die Sicherheitsabschaltungeli
nir im Bypass 9 erfolgen, arbeitet der Widerstands-El.ektrodendurchlauferliitzer
in dieser Hin-
sicht praktisch trägheits- und druckverlustlos.
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Wenn durch das Zusammentreffen unglücklicher Umstände, wie Hängenbleiben
des Schaltwerkes 25 im eingeschalteten Zustand be1 geschlossenem Zapfventil 2 und
Rücksaugen des Wassers (bei-thermostatisch gesteuerten Widerstands-Elektrodendurchl
auferhitzehli schon allein durch Absinken des
| Wasserspiegels, beispielsweise durch Undichtwerdeii des Wi- |
| derstands-E1.ektrodendurchlauferhitzers), dieser trockengehtt |
| erfolgt eine Sicherheitsabschaltung bereits beim Trocken- |
| gang des oberh alb der am höchsten gelegenen Heizwendel 3 |
| befindlichen Poles 16 des Tastelektrodenpaares 1$4 |