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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entgasen von Wasser in Warmwasserversorgungsanlagen
durch Verminderung des Druckes an der Entgasungsstelle sowie eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens.
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Im Wasser löst sich bei gleichem Druck eine um so größere Menge Gas,
je kälter das Wasser ist. Bei Erwärmung des Wassers tritt dieses gelöste Gas in
Form von kleinsten Bläschen wieder aus. Auch wenn sich der Druck in der Anlage vorübergehend
erniedrigt, beispielsweise weil Wasser gezpaft wird, bilden sich derartige kleine
Gas- bzw. Luftbläschen, da durch den momentan verringerten Druck Gas aus der gelö3ten
Phase in den gasförmigen Zustand übergeht. Diese Bläschen bilden sogenannte Belüftungselemente
in den Rohrleitungen und sind die Ursache von Lochfraß und anderen Schäden in den
Leitungen und im Kessel.
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Bei einer bekanntgewordenen Vorrichtung zum fortlaufenden Erwärmen
und Entgasen von Brauchwasser strömt das kalte Wasser von der Zuleitung in einen
Speicher, in dem es wegen seiner gegenüber Warmwasser höheren Dichte im unteren
Bereich verbleibt und von wo es eine Leitung in einen Wärmetauscher führt, in dem
es erwärmt wird. Die erforderliche Wärme wird dem Wärmetauscher von einem Kessel
oder Ofen mittels Heißwasser geliefert. An das obere Ende des Wärmetauschers ist
eine langgestreckte, senkrecht angeordnete Entgasungskammer angeschlossen, deren
höchste Stelle ein selbsttätiges Entlüftungsventil aufweist. Die Entgasungskammer
ist so angeordnet, daß sie sich im wesentlichen oberhalb der höchsten Stellt des
Speichers befindet. Das in der Entgasungskammer aufsteigende erwärmte Wasser gelangt
mit dem Aufsteigen in Zonen mit immer kleinerem Druck, da der Druck in einer Flüssigkeit
nach oben hin abnimmt. Da Wasser um so weniger Gas in Lösung zu halten vermag, je
geringer der Druck und je höher die Temperatur wird, und da das erwärmte Wasser
vom Wärmetauscher direkt- zur Entgasungskammer aufsteigt, wird hier Gas aus dem
Wasser abgeschieden und entweicht durch das Entlüftungsventil. Die Entgasungskammer
weist ein zentrales Steigrohr und einen äußeren Mantel auf. Zwischen Steigrohr und
Mantel sinkt das entgaste Wasser bei gleichzeitiger Abkühlung wieder nach unten
und strömt in den Speicher. Im Speicher herrscht also stets ein um den Druck der
Wassersäule in der Entgasungskammer höherer Druck als am oberen Ende dieser Kammer,
und es herrscht im Speicher auch im Warmwasserbereich stets eine geringere Temperatur
als am oberen Ende der Entgasungskammer, da das Wasser beim Absinken im äußeren
Mantel sich etwas abkühlt. Auf diese Weise ist erreicht, daß das Wasser im Speicher
kein gelöstes Gas mehr abgibt. Um zu verhindern, daß in höher gelegenen Zapfstellen,
an denen ein niedrigerer Druck herrscht, sich weiter Gas aus dem Wasser abscheidet,
ist im Auslauf des Speichers ein Kühler vorgesehen, da bei fallender Temperatur
Wasser mehr Gas in gelöster Form zu behalten vermag, so daß trotz sinkenden Druckes
sich kein weiteres Gas ausscheidet.
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Ein derartiges Verfahren arbeitet jedoch sehr unwirtschaftlich, da
ein erheblicher Anteil der aufgewandten Wärme zur Erhitzung des Wassers bei der
Abkühlung> ip qer . E4tgasungskammer wieder verlorengeht:-`1)aber° smä cüeVerluste,
die der Kühler verursacht, noch nicht berücksichtigt. Statt einen Kühler vorzusehen,
kann die Entgasungskammer so ausgebildet sein, daß ihr höchster Punkt höher liegt
als die höchste Warmwasserzapfstelle. Das führt jedoch beispielsweise bei einem
mehrstöckigen Haus zu einer Entgasungskammer, die vom Keller bis in das oberste
Stockwerk reicht und die einen entsprechenden Raum beansprucht. Der bauliche Aufwand
bei dieser Vorrichtung ist so hoch und der Energieverlust durch die unumgängliche
Abkühlung des bereits erwärmten Wassers ist bei diesem Verfahren so groß, daß ein
wirtschaftlicher Betrieb nicht möglich ist.
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Bei einem weiterhin bekannten kontinuierlich arbeitenden Unterdruckentgaser
für Kesselspeiseanlagen kommt das Wasser überhitzt in den Entgasungsraum, oder es
wird in diesem Entgasungsraum erwärmt. Diese Vorrichtung umfaßt eine Reihe von Pumpen
und Wärmetauschern und ist für kleinere Warmwasserbereitungsanlagen wegen des hohen
baulichen Aufwandes nicht wirtschaftlich.
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Es ist außerdem eine Anlage bekannt, bei der zum Zweck der Vermeidung
von Kalkablagerungen dem Wasser vor dem Heizkessel Kohlendioxid zugemischt und nach
dem Heizkessel in einem besonderen Kessel wieder entzogen und über eine Wasserstrahlpumpe
dem zu dem Heizkessel fließenden Frischwasser wieder zugemischt wird. Bei diesem
Verfahren sind ein zusätzlicher Kessel und eine Pumpe erforderlich. Das Wasser wird
erst nach dem Heizkessel" entgast, so daß der Heizkessel selbst stets gashaltiges
Wasser enthält. Die Druckverminderung entspricht der Wassersäule zwischen Heizkessel
- und- Entgasungskessel, so daß sich die Anlage zur Erzielung eines ausreichenden
Druckunterschiedes und damit einer ausreichenden Kohlendioxidabscheidung über mehrere
Stockwerke erstrecken muß, da zur Erzielung einer Druckdifferenz von nur 1 at ein
Höhenunterschied von 10 m erforderlich ist. Die Differenz zwischen dem Druck in
der Warmwasserzuleitung zum Heizkessel und dem Druck im Entgasungskessel muß durch
die Wasserstrahlpumpe überwunden werden. Das bedeutet, da derartige Pumpen nur dann
eine Druckdifferenz erzeugen, wenn sie durchströmt werden, und da der erzeugte Druck
sehr stark von dem -Wasserdurchsatz abhängt, daß der Zapfhahn nicht in der Zapfleitung,
sondern in der Kaltwasserzuleitung vor der Pumpe angeordnet sein muß. Aus diesem
Grunde muß also die Kaltwasserleitung ebenso zur Zapfstelle geführt werden wie die
Warmwasserleitung. Das bedeutet ferner, daß nur eine Zapfstelle vorhanden sein kann
und daß der Zapfhahn nicht kontinuierlich geöffnet werden darf, sondern daß er sofort
einen Mindestdurchfluß freigeben muß, der nämlich ausreicht, daß die Pumpe eine
genügende Druckdifferenz liefert, um zu vermeiden, daß Frischwasser direkt über
die Pumpe und deren Saugleitung in den Entgasungskessel strömt. Diese Anlage kann
also nur ein sehr beschränktes Anwendungsgebiet haben. Zudem ist der-Aufwand durch
die erforderliche Leitungsführung der Kaltwasserleitung und den zusätzlichen Kessel
relativ hoch, so daß diese Anlage zumindest für eine Hauswarmwasserversorgung schon
aus wirtschaftlichen Gründen kaum in Frage kommen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Entgasung von Warmwasser
zu schaffen, das wirtschaftlich arbeitet, mit wenig Aufwand zu verwirklichen ist
und beliebig viele Zapfstellen versorgen kann.
Gelöst wird die Aufgabe
gemäß der Erfindung dadurch, daß der Warmwasserkessel zunächst von der Versorgungsleitung
abgetrennt und der Druck -im Warmwasserkessel verringert wird und danach die sich
bildende Gasblase aus dem Warmwasserkessel entfernt wird, indem die Versorgungsleitung
wieder geöffnet und Wasser in den Warmwasserkessel eingelassen wird.
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Vorteile der Erfindung liegen darin, daß durch die Erniedrigung des
Druckes das im Wasser gelöste Gas praktisch schlagartig in seinen gasförmigen Zustand
übergeht und kleine Bläschen bildet. Diese Bläschen steigen in dem Wasservorrat
nach oben und bilden eine große Luftblase, die dann durch ein Ventil aus der Anlage
herausgelassen wird. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
darin, daß es zu seiner Durchführung weder Wärmetauscher noch Pumpen noch umfangreiche
zusätzliche Entgasung skammern benötigt, sondern daß der gesamte zusätzliche bauliche
Aufwand aus einigen wenigen Ventilen besteht.
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Dadurch läßt sich eine nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung
nicht nur mit sehr wenig Aufwand errichten oder auch in, bereits bestehende -Anlagen
nachträglich einbauen, sondern sie arbeitet auch sehr zuverlässig. Da die Wassertemperatur
während des Entgasens nicht verändert wird, ergibt sich ein sehr wirtschaftlicher
Betrieb, da nicht mehr Warmenergie benötigt wird, als ohne Entgasung des Wassers
ebenfalls benötigt würde. Da die Ventile automatisch gesteuert werden können,, eignet
sich eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Vorrichtung sowohl für
Haushaltsanlagen als auch für Großanlagen. Bei Kleinstabnehmern kann die Automatik
auch wegfallen, wenn der Kessel entsprechend groß ausgelegt wird. Durch den geringen
zusätzlichen Aufwand, der nur aus einigen Ventilen besteht, kommt eine derartige
Vorrichtung auch für kleinste Warmwasserbereitungsanlagen in Betracht. Grundsätzlich
eignet sich dieses Verfahren für Anlagen jeder Größe, wobei lediglich die Kesselgröße
dem Warmwasserverbrauch entsprechend auszuwählen, ist. Das Verfahren eignet sich
also für alle beliebigen Warmwassererzeugungsanlagen, wie sie in Haushalten und
Gewerbebetrieben Verwendung finden.
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Bei Warmwasserversorgungsanlagen, die unter dem Druck der Versorgungsleitung
stehen, also beispielsweise einen Druck von 3 bis 6 atü aufweisen, kann dieser Betriebsdruck
während des Entgasens entweder auf Atmosphärendruck oder aber auch auf einen Druck
unterhalb des Atmosphärendruckes erniedrige werden. Bei sogenannten Niederdruckanlagen,
die nur unter Atmosphärendruck stehen, wird zum Entgasen der Druck der Anlage auf
einen Druck unterhalb des Atmosphärendruckes gebracht.
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Soll der Druck einer Anlage nur auf Atmosphärendruck erniedrigt werden,
so genügt es, die Versorgungsleitung zu schließen und ein oberhalb des Wasserspiegels
gelegenes Absperrventil zu öffnen.
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Eine andere Möglichkeit, den Wasserdruck auf unterhalb des Atmosphärendrucks
zu erniedrigen; besteht darin, daß ein unterhalb des Wasserspiegels gelegenes Absperrventil
geöffnet und eine Wassersäule abgelassen wird. Durch entsprechende Bemessung der
Wassermenge und der Höhe der durch das geöffnete Ventil auslaufenden Wassersäule
läßt sich leicht erreichen, daß in dem Raum, in dem sieh die Luftblase bildet, ein
Druck herrscht, der geringer als der Atmosphärendruck ist.
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Da während des Entgasens die Anlage von der Wasserversorgungsleitung
abgetrennt werden muß und es daher nicht möglich ist, während des Ent gasungsvorganges
aus der Anlage Warmwasser zu entnehmen, ist es zweckmäßig, dafür zu sorgen, daß
das Entgasen möglichst rasch vor sich geht, wobei der Wasserspiegel, an dem die
Luft austreten kann, vergrößert wird. Das wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
dadurch erreicht, daß zur Vergrößerung der Oberfläche des Wasserspiegels aus dem
im Betriebszustand vollen Warmwasserkessel Wasser abgelassen wird. Dadurch sinkt
der Wasserspiegel ab und erreicht wegen der Rundung der Kesselwand eine genügend
große Fläche, so daß die Gasbläschen aus dem Wasser rasch austreten können und ein
Raum geschaffen ist, in dem sich die Gasblase bilden kann.
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Soll der Druck des Wasservorrates auf einen Druck kleiner als Atmosphärendruck
erniedrigt werden, so kann dies dadurch geschehen, daß bei gleichzeitig luftdichtem
Abschluß der oberhalb des Wasserspiegels befindlichen Anlagenteile aus dem Warmwasserkessel
durch ein Auslaufventil -Wasser ab@ gelassen wird.
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Wird bei einer Ausführungsform der Erfindung der Wasserdruck dadurch
abgesenkt, daß aus dem Kessel durch ein unterhalb des Wasserspiegels angeordnetes
Ventil bei luftdichtem Abschluß der. oberhalb des Wasserspiegels befindlichen Anlagenteile
Wasser abgelassen wird, so hat diese Ausführungsform der Erfindung den Vort&fl,
daß -damit gleichzeitig auch der Wasserspiegel vergrößert wird.
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Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den Leitungen und am Boden des Warmwasserkessels hydraulisch oder magnetisch
betätigte Ventile angeordnet, welche die beim Entgasen erforderlichen Schaltvorgänge
automatisch steuern. Die Zeit, die für eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
durchgeführte Entgasung erforderlich ist, kann zwischen 10 und 30 Sekunden betragen.
Die Intervalle, innerhalb deren die Anlage entgast wird, können beispielsweise zwischen
30 Minuten und 6 Stunden betragen; je nachdem, wie oft das Wasser in dem Vorratsbehälter
oder Kessel durch die Versorgungsleitung erneuert wird. Die Intervalle, in denen
der Entgasungsvorgang eingeleitet wird, können durch die von einer Versorgungsleitung
zufließende Wassermenge gesteuert sein.
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In der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens Schematisch dargestellt. In dieser Vorrichtung strömt durch eine Versorgungsleitung
1 kaltes Wasser in einen beheizten Warmwasserkessel 2 (Warmwasserbereiter): Dieser
Warmwasserkessel steht unter dem gleichen Druck, unter dem auch- die Versorgungsleitung
1 steht. Der Druck kann also 2 bis 6 oder mehr atü betragen. Der Warmwasserkessel
27 weist ein Heizelement 3 auf, das elektrisch oder mit Dampf oder Heißwasser
gespeist werden kann. Der Warmwasserkessel kann auch so ausgebildet sein, daß er
mit festen Brennstoffen beheizt wird.
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Das heiße Wasser tritt durch eine Leitung 4 aus dem Warmwasserkessel
2 aus und in eine Ringleitung 5 ein, an die die einzelnen Zapfstellen angeschlossen
sind und die wieder in den Warmwasserkessel 2 zurückführt. An der Leitung 4 ist
gegebenen
falls-` -unter Einschaltung eines Gefäßes 6 eine Leitung
7 angeschlossen, die in den Ausguß führt.
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In der Versorgungsleitung 1 ist ein Absperrventil 8, in der Ringleitung
5 unmittelbar hinter der Leitung 4 und dem Gefäß 6 ein Absperrventil 9 und am Ende
der Ringleitung 5 vor dem Wiedereintritt des Warmwassers in den Warmwasserkessel
2 ein Absperrventil 10 vorgesehen. In der in den Ausguß führenden Leitung
7 hinter dem Gefäß 6 ist ein Absperrventil 11 vorgesehen. Am Boden des Warmwasserkessels
2 ist ein Auslaufventil 12 angeordnet. Die Absperr- und Auslaufventile 8 bis 12
sind zweckmäßig als Magnetventile ausgebildet, deren Erregerwicklungen von einer
Programmsteuerung aus gesteuert werden.
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Im Normalbetrieb sind die Absperrventile 8 bis 10 geöffnet, und die
Ventile 11 und 12 sind geschlossen. In dem durch die Versorgungsleitung in den Warmwasserkessel
2 eingeführten Wasser ist ein bestimmtes Volumen Gas gelöst. Beim Aufheizen des
Wassers in dem Warmwasserkessel 2 verringert sich die Löslichkeit des Gases im Wasser,
und das nicht mehr gelöste Gas scheidet sich im Wasser in Form von kleinen Bläschen
aus. Damit diese Bläschen nicht in die Ringleitung 5 gelangen und weder dort noch
im Warmwasserkessel 2 die schädlichen »Belüftungselemente« bilden, wird in regelmäßigen
Zeitabständen das im Warmwasserkessel 2 befindliche Wasser entgast.
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Die Entgasung erfolgt dadurch, daß zunächst die Absperrventile 8,
9 und 10 durch eine nicht gezeichnete Steuerschaltung gleichzeitig geschlossen werden.
Damit ist der Warmwasserkessel 2 von der Ringleitung 5 für die Warmwasserversorgung
und von der das kalte Wasser zuführenden Versorgungsleitung 1
abgetrennt.
Bei einer Ausführungsart des Verfahrens wird der Druck in dem Warmwasserkessel 2
dadurch erniedrigt, daß das Absperrventil 11 geöffnet wird. Der Druck in
dem Warmwasserkessel 2, der während des Betriebes einige atü betragen hat, erniedrigt
sich dadurch auf Atmosphärendruck. Die Folge davon ist, daß sich die kleinen Gasbläschen,
die sich bei dem Aufheizen des Kaltwassers gebildet haben, ausdehnen, verhältnismäßig
rasch aufsteigen und in einem Raum 13 am oberen Ende des Warmwasserkessels
2 eine Gasblase bilden. Durch die Erniedrigung des Druckes kann aber nur
noch so viel Gasvolumen in dem in dem Warmwasserkessel 2 befindlichen Wasser in
Lösung bleiben, als dem niedrigeren atmosphärischen Druck bei dieser Temperatur
entspricht. Dadurch geht ein weiteres Gasvolumen von dem gelösten Zustand in den
gasförmigen Zustand über, es bilden sich durch die Druckerniedrigung zusätzlich
noch Gasbläschen, die dann ebenfalls aufsteigen und am oberen Ende des Warmwasserkessels
2 eine Luftblase bilden bzw. eine sich dort bildende Luftblase vergrößern.
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Um jedoch die Zeitspanne zu vermindern,- innerhalb der die Gasbläschen,
die sich in dem Wasser gebildet haben, nach oben aufsteigen, wird gleichzeitig dafür
gesorgt, daß die Oberfläche, an der die Gasbläschen austreten können, vergrößert
wird. Dies geschieht dadurch, daß das Auslaufventil 12 kurzzeitig geöffnet wird,
so daß etwas Wasser ausläuft. Wegen der runden Form der Kesselwandung vergrößert
sich dadurch die an Luft grenzende Wasseroberfläche. Nach einer gewissen Zeit, beispielsweise
10 bis 30 Sekunden, sind die meisten Gasbläschen aufgestiegen und haben in dem am
oberen Kesselende befindlichen Raum 13 eine Luftblase gebildet. Dann wird das Absperrventil
8 in der Versorgungsleitung 1 wieder geöffnet, so daß wieder Wasser in den Warmwasserkessel
2 nachströmt. Dadurch wird die Luftblase aus dem Raum 13 in die Leitung 4 und in
die Leitung 7 gedrückt, wo sie durch das noch offene Absperrventil 11 aus.
dem Leitungssystem herausgedrückt wird. Sobald durch, das Absperrventil
11 das nachdringende Wasser austritt, wird dieses Absperrventil 11 geschlossen,
und die Absperrventile 9 und 10 werden geöffnet. Damit ist der ursprüngliche Betriebszustand
wiederhergestellt.
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Bei einer anderen Ausführungsart des Verfahrens wird nach dem Schließen
der Absperrventile 8, 9 und 10 nicht zuerst das Absperrventil 11 geöffnet, sondern
es wird zunächst das Auslaufventil 12 geöffnet. Dann tritt durch das Auslaufventil
12 so viel Wasser aus dem Warmwasserkessel 2 aus, bis im Warmwasserkessel 2 Atmosphärendruck
herrscht. Darüber hinaus tritt noch zusätzlich eine Wassermenge aus, die, würde
man das Auslaufventil 12 nicht vorher schließen, schließlich so groß sein würde,
daß der Druck der Wassersäule im Warmwasserkessel plus dem Druck des austretenden
Gases etwa gleich dem äußeren Atmosphärendruck wäre. Würde man warten, bis dieser
Gleichgewichtszustand eingetreten ist, so würde man relativ viel Warmwasser aus
dem Warmwasserkessel verlieren. Man schließt daher das Auslaufventil 12 schon, sobald
in dem Raum 13, in dem ein durch das ausströmende Wasser erzeugter Unterdruck herrscht,
der kleiner als der Atmosphärendruck ist. Dieser Unterdruck wird so gewählt, daß
er das Aufsteigen der Gasbläschen und damit die Entgasung der Flüssigkeit im Warmwasserkessel
2 sehr stark beschleunigt. Sind die meisten oder alle Gasbläschen in den Raum 13
aufgestiegen und haben dort ein Luftpolster gebildet, so wird das Auslaufventil
12 geschlossen, und das Absperrventil 8 in der Versorgungsleitung und das Absperrventil
11 werden geöffnet, so daß die Luftblase aus dem Raum 13 über die Leitung
7 aus dem System herausgedrückt wird. Ist die Luftblase aus dem System entfernt,
wird das Absperrventil 11 geschlossen, und die Absperrventile 9 und 10 werden geöffnet,
so daß wiederum der ursprüngliche Betriebszustand eingestellt ist.
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Der Unterdruck in dem Warmwasserkessel 2 kann auch auf andere Weise
als durch öffnen des Auslaufventils 12 erzeugt werden. Beispielsweise kann ein Unterdruck
erzeugt werden, wenn das Absperrventil 11 in der Leitung 7 tiefer liegt als das
obere Ende des Warmwasserkessels 2, beispielsweise kann das Absperrventil 11 in
gleicher Höhe wie das Auslaufventil 11 oder noch tiefer angeordnet sein. Wird das
Absperrventilll nach Schließen der Absperrventile 8, 9 und 10
geöffnet,
so vermindert die in der Leitung 7 über dem Absperrventü11 befindliche Wassersäule
den Druck in dem Warmwasserkessel 2 und »zieht« die Gasbläschen nach oben in den
Raum 13 oder gegebenenfalls, bei günstig großem Querschnitt der Leitung 4, auch
in das Gefäß 6. Die Höhe des in dem Warmwasserkessel 2 erzielten Unterdrucks hängt
von der Höhenlage des Absperrventils 11 in bezug auf den Warmwasserkessel 2 und
damit von der Höhe der Wassersäule in dem nach unten führenden Abschnitt der Leitung
7 ab. Auch hier wird nach der Entgasung die gebildete Luftblase durch öffnen des
Absperrventils 8 aus dem System hinausgedrückt. Sobald die Luftblase das
Absperrventil 11 durchlaufen hat, wird das Absperrventil 11 wieder geschlossen,
und die
Absperrventile 9 und 10 werden wieder geöffnet,
so daß wieder der ursprüngliche Betriebszustand hergestellt ist.
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Die Intervalle, in denen eine derartige Entgasung durchgeführt wird,
können beispielsweise 30 Minuten bis 6 Stunden oder länger betragen. Diese Zeiten
können in der Programmsteuerung fest eingestellt sein. Man kann jedoch auch die
Einleitung des Entgasungsvorganges durch die Wassermenge steuern, die durch die
Versorgungsleitung 1 der Warmwasserversorgungsanlage zugeführt wird. Wenn beispielsweise
über die Versorgungsleitung 1 eine Wassermenge zugeführt wurde, die dem Warmwasserkesselinhalt
entspricht, so wird über ein in die Versorgungsleitung 1 eingeschaltetes Meßwerk,
das mit einem Befehlsgeber gekoppelt ist, der durch eine Programmsteuerung gesteuerte
Entgasungsvorgang eingeleitet.