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Thermostatisch gesteuerter Dampfwasserableiter Sin thermostatisch
gesteuerter Dampfwasserableiter oder 1>ampfwassertopf dient zum automatischen
Ableiten des Kondensats aus einer Dampfleitung. Hierzu wird der Dampfwassertopf
periodisch geöffnet und geschlossen0 Während der Inbetriebnahme eines Dampfsystems
fällt eine grosse Menge Kondensat an. Daher sollen die Dampfwassertöpfe dann, wenn
das System kalt ist, längere Zeit hindurch offen bleiben. Wenn das i)ampfsystem
seine Arbeitstemperatur angenommen hat, fallen nurmehr geringe Kondensatmengen an.
Im Betrieb verliert der Dampfwassertopf Wärme an die Umgebung, dadurch fällt seine
Temperatur und das Ventil wird geöffnet Dann strömt Kondensat, dessen Temperatur
nahe der des Dampfes ist, durch den Topf, erwärmt ihn und verursacht das Schließen
des Ventils.
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Thermostatische Dampfwassertöpfe wurden viele Jahre hindurch erfolgreich
verwendet, um aus Damp£systemen das angefallene Kondensat abzuziehen. Der übliche
Radiator-Topf ist ein allgemein bekanntes Beispiel.
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Das arbeitsprinzip des thermostatischen Dampfwassertopfes besteht
in dem Gebrauch eines Balges, der teilweise mit einer flüchtigen Flüssigkeit gefüllt
ist, deren Siedepunkt gleich
hoch oder niedriger liegt, als der
des Wassers. Der für das Bunktionieren verf tigbare Druck besteht in dem Unterschied
der Drücke ausserhalb und innerhalb des Balges0 Diese Druckdifferenz, multipliziert
mit der wirksamen Fläche des Balges, liefert die Kraft zur Bewegung des Ventilkopfes
zu seinem Sitz hin und von diesem. weg. Solange die Temperatur des den Balg ungebenden
Mediums gleich oder nahe der Dampftemperatur ist, ist der Druck innerhalb des Balges
gleich oder um ein Geringes höher als der Dampfdruck, was von dem Siedepunkt der
verwendeten FUllflussigkeit abhängt. Wenn jedoch das den Balg umgebende Kondensat
sich abzukühlen beginnt, beginnt der Druck im Innern des Balges entsprechend der
Dampfdruckkurve des gesättigten Dampfes der FUllflussigkeit abzunehmen.; Wenn dieser
Druck fällt, während der Druck auf der Aussenseite des Balges konstant bleibt, zieht
sich der Balg Zusammen und hebt den Ventilkopf von seine Sitz ab.
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Bei den Ueblichen thermosatischen Dampfwassertöpfen hat der Innendruck
das Bestreben, das Ventil zu schliessenO Die durch diesen Druck ausgeübte Kraft
entspricht dem Druck multipliziert mit dem Ventilsitz. Um das Ventil zu öffnen,
muss diese Kraft Uberwunden werden. Daher muss der Druck im Innern des Balges tortfahren
zu steigen, bis sein Differenzdruck zu einer Kraft führt, die gleich dem von dem
Druck im Innern des Topfes auf den geschlossenen Ventilkopf ausgeubten Kraft ist.
Wenn das Gleichgewicht -erreicht ist, öffnet der Ventilkopf und die Strömung durch
den Topf beginnt. Wenn dies geschieht, ninmit der Druck, der versucht das Ventil
geschlossen zu haiten, ab und der Ventilkopf wird in die Nähe der vollen Öffnungen
bewegt. Dies ergibt ein unerwAnschtes, stoßförmiges Ausströmen. Deshalb wurden die
oben beschriebenen Dampfwassertöpfe Ausblastöpfe genannt. Diese Arbeitsweise ist
aus den folgenden Grenzen unerwUnsoht. Erstens stört das stoßförmige Ausströmen
das Drackgleichgewicht innerhalb des Dampfsystems.
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Zweitens verursacht das schnelle Ausströmen in-dem Ausströmrohr des
Topfesdie Entstehung von Druckwellene Dies flihrt zu Wasserschlägen, die stark genug
sein können, um das Ausströmrohr und das in der Nähe befindliche Personal zu verletzten.
In ähnlicher Weise steigt-der Druck im Innern des Balges an, wenn die ihn umgebende
Temperatur zunimmt, und wenn der für das Schliessen des Ventils erforderliche Druck
erreicht wird, schliesst das Ventil plötzlich und dies verursacht in dem Dampfsystem
sehr unerwünschte Druckstörungen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist die Konstruktion eines thermostatischen
Dampfwassertopfes, dessen Innendruck, nämlich der den Balg umgebende Druck, das
Bestreben hat, das Ventil zu öffnen und nicht, es zu schliessen. Bei dieser Konstruktion
muss der Balg so ausgeführt sein, dass er eine Ventilschließkraft ausüben kann,
die grösser als die von dem innerhalb des Dampfwassertopfes herrschenden Dampfdruck
ausgeübte Kraft ist.
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Diese Kraft ist gleich dem Produkt aus Dampfdruck und Fläche des Ventilsitzes.
Bei dieser verbesserten Konstruktion öffnet sich der Topf leicht, sobald die von
dem Balg ausgeübte Kraft etwas kleiner ist,als die-von dem Dampfdruck auf den Ventilsitz
ausgeübte Kraft. Jede weitere Druckabnahme im Innern des Balges lässt es zu, dass
sich der Ventilkopf vom Ventilsitz weg in eine proportionale Entfernung bewegt,
wodurch der austretende Strom verstärkt wird. Mit anderen Worten, diese Konstruktion
vermeidet eine Schnappwirkung oder Ausbiasentleerung.
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Der verbesserte Topf drosselt den Strom fortschreitend. Die Stärke
des Stromes hängt von dem Druck im Innern des Balges ab, der in erster Linie nur
eine Funktion der Temperatur in der Umgebung des Balges ist.
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Weil die thermostatischen Dampfwassertöpfe ohne ilberwachende Bedienung
über lange Zeiträume hinweg, unter extremen Temperaturen, mit hoch korrosiven, Ablagerungen
mit sich führenden
Substanzen zuverlässig arbeiten sollen, ist es
in hohem Maße wünschenswert, einen Dampfwassertcpf zu schaffen, der nicht von den
engen Toleranzen der Anlenklager abhängig ist, die viele bekannte Formen von thermostatischen
Dampfwassertöpten kennzeichnen0 Der Dampfwassertopf nach der vorliegenden Erfindung
spricht nur auf geradlinige, axiale Kräfte an und kann sich an eine mangelhafte
Ausrichtung ohne Festfressen anpassen.
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Die Führungsflächen liegen im Abstand voneinander, um ohne enge Passungen
und grosse Führungsflächen, die bei einer etwas fehlerhaften Ausrichtung zu Anfressungen
oder Ablagerungen neigen, eine genaue Führung zu verwirklichen0 Die nach Lösung
einer Verschraubung geschaffene Zugänglichkeit nach der Erfindung ermöglicht die
schnelle Auswechslng des Betätigungsag gat3 beim Versagen oder bei einer periodischen
Überwachung0 Das geteilte Gehäuse gewährt einen leichten Zugang zum Betätigungsaggregat,
ohne Störung der Rohranlagen Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung
unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung beschrieben.
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Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Dampfwassertopf nach der Erfindung
bei geschlossenem Ventil; Fig, 2 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht des in
der Sigç 1 dargestellten Betätigungsaggregats bei geöffnetem Ventil und Sige 3 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Querschiene0 Nach der Sigo 1 befindet sich das
Betätigungsaggregat innerhalb eines Hohlsaames, der durch ein Gehäuse 20 und einen
durch Schrauben 21 an ihm befestigten Deckel 19 begrenzt wird0
Das
Gehäuse hat eine Einlaß- und eine Auslaßöffnung zum Anschluß an je ein Rohrsystem0
Der-Deckel 19 kann für einen Zugang zum Betätigungsaggregat zwecks Bedienung oder
Ersatz leicht abgenommen werden0 Yenn die Verbindungsstelle von Deckel und Gehäuse
die dargestellte Lage hat, ist der Zugang für übliche Werkzeuge ein besonders bequémerO
Umsomehr soll das Betätigungsaggregat unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 beschrieben
werden. Das obere Ende des Balges 1 ist mit der Deckelplatte 2 und sein unteres
Ende ist mit der Bodenplatte 3 hermetisch dicht verbunden. Die Öffnung in der Deckelplatte
2 is-t durch einen Deckelverschluß 4 verschlossen, der ein kleines Loch 5 aufweist.
Wenn diese vier Teile hermetisch miteinander verbunden sind, wird in das Innere
des Balges eine vorbestimmte Menge einer flüchtigen Blüssigkeit eingefUlltO Der
Siedepunkt dieser Flüssigkeit hängt von ihrem Druck ab und wird durch die Ausdehnungsfähigkeit
des Balges 1 bestimmt. Je flexibler der Balg ist, um so höher kann der Siededruck
der Büllflüssigkeit liegen. Umgekehrt, je steifer der Balg ist, umso niedriger muss
der Siedepunkt der Füllflüssigkeit liegen, Anschliessend wird der Balg 1 durch das
Loch 5 evakuiert und unter Vakuum mit dem Abdichtungsstopfen 7 verschlossen. Der
Deckelverschluß 4 ist an dem Joch 8 befestigt. In Bodennähe hat das Joch 8 zwei
rechteckige Öffnungen, die eine Querschiene 10 gleitbar aufnehmens Wenn die'Querschiene
10 in das Joch 8 eingesetzt ist, wird sein Herausfallen durch das Umbiegen von Streifen
11 um einen Xiinkel nach aussen verhindert0 In ihrer Mitte weist die Querschiene
10 eine kleine, in der Fig. 3 dargestellte Öffnung 17 auf, die nach Art eines Schlüsselloches
an ihrem einen Ende grösser als an ihrem anderen Ende ist.
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Vas kleinere bunde ist groß genug, um die Kreisnut 12a der Ventilstange
12 aufzunehmen. Das ander,e Ende der Öffnung 17 ist ;rofs genug, um die Ventilstange
an ihrem Hauptdurchmesser
zu umfassen. Wenn die Ventilstange nahe
der Mitte der Querschiene 10 liegt, umfasst das kleinere Ende der Öffnung 17 die
ringnut 12a und hält so die Querschiene 10 an der Ventilstange fest0 An das untere
Ende der Ventilstange 12 ist der Ventilkopf oder Ventilkegel 13 angeschweißt0 Solange
der Ventilkopf 13 an der Öffnung des Ventilsitzes 14 anliegt, ist der Dampfwassertopf
geschlossen und es findet keine Strömung statt.
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Wenn dagegen der Ventilkopf von dem Ventilsitz abgehoben ist, tritt
eine Strömung aus dem Innern des Dampfwassertopfes nach aussen ein. An der Bodenplatte
3 des Balges ist das untere Joch 15 befestigt, das seinerseits fest mit dem Ventilsitz
14 verbunden ist. Auf diese Weise ist die Deckelverschlußplatte 4 des Balges 1 durch
verschiedene Teilstücke fest mit dem Ventilkopf 13 verbunden, während die Bodenplatte
3 des Balges fest mit dem Ventilsitz 14 verbunden ist. Wenn sich daher der Balg
ausdehnt, wird der Ventilkopf 13 näher zum Ventilsitz 14 hin bewegt und umgekehrt,
wenn sich der Balg zusammenzieht, wird der'Ventilkopf 13 vom Ventilsitz 14 weiter
wegbewegt.
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Wenn Dampf und Kondensat in die Einlaßöffnung einströmen, entsteht
im Innern des Gehäuses ein Druck, der von aussen auf den Balg einwirkt. Wenn die
Temperatur des einströmenden Mediums gleich der des gesättigten Dampfes ist oder
nur wenig darunter liegt, wird im Innern des Balges ein Druck entwickelt, der der
Dampfdruckkurve der Füllflüssigkeit entspricht, die so gewählt wurde, dass ihr Druck
grösser als der Einlaßdruck bei dieser Temperatur ist0 Der Balg dehnt sich aus und
bewegt den Ventilkopf 13 auf seinem Ventilsitz 14, so dass jegliches Durchströmen
des Topfes verhindert wird0 wenn die Temperatur im Innern des Topfes als Wirkung
des Wärmeverlustes aus dem Gehäuse fällt, beginnt auch der Dampfdruck
in
dem Balg entsprechend der Dampfdruckkurve der BUllflüssigkeit zu fallen. Eine weitere
Temperaturabnahme verringert schliesslich den Druck im Innern des Balges soweit,
dass der auf dem Ventilkopf 13 lastende Gehauseinnendruck die Kraft des balges überwindet
und die Ventilkugel 13, vom Ventilsitz 14 abhebt, Nun strömt Kondensat aus dem Gehäuse
durch Öffnungen 16 des Ventilsitzkörpers 14 und durch den Ventilapalt, der durchdas
Abheben des Ventilkopfs 13 vom Ventilsitz 14 entstand, nach aussen. Das Ausmass
der Ventilöffnung hängt von dem Druck im Innern des Balges ab. Wenn dieser abnimmt,
nimmt die Ventilöffnung zu. Beim Ausfliessen fliesst Kondensat aus der Auslassöffnung
des Topfes aus, die so lange offen bleibt, bis die Temperatur des Kondensats oder
des durch die Einlassöffnung einströmenden Dampfes so hoch ist, dass sie im Innern
des Balges einen Druck erzeugt, der gross genug ist, um die auf den Ventilkopf am
Ventilsitz ausgeübte Kraft zu überwinden. Im Betrieb wird der Ventilspalt automatisch
so eingestellt, dass durch den Topf eine konstante Strömung stattfindet, so lang
die Temperatur des in den Topf eintretealden Gemisches unter einem bestimmten Wert
liegt. Die Temperatur, bei der der Topf beginnt sich zu öffnen, wird durch die Federrung
des Balges 1, den Siedepunkt der in ihm enthaltenen Füllflüssigkeit, die Fläche
des Ventilsitzes und den ursprünglichen Druck in dem Balg bestimmte Diese verschiedenen
Veränderlichen können so bestimmt werden, dass sich der Topf bei einer bestimmten,
unter der Sattdampftemperatur liegenden Dampftemperatur unabhängig vom Druck öffnet.
Mit anderen Worten, wenn der Topf bei oder nahe dem atmosphärischen Druck arbeitet,
beträgt die Dampf temperatur 1000C und der Topf wird so gestaltet, dass er beispielsweise
bei 5 1/2°C unter der Dampftemperatur, bei 94,50C öffnet. Wenn andererseits der
in den Topf einströmende Dampf einen Druck von 7 atü hat, beträgt die Dampftemperatur
170
0C0 Dies ist eine sehr wichtige Charakteristik dieses Dampfwassertopfes, weil in
vielen Pällen Ausblastöpfe nicht bei der gleichen Zahl von Temperaturgraden unter
der Temperatur des gesättigten Dampfes öffnen und daher dazu neigen, entweder Dampf
auszublasen oder Kondensat im Überschuss zurückzuhalten.
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Es ist besonders wichtig, die ordnungsgemässe Ausrichtung des Betätigungsaggregats
aufrechtzuerhalten, um ein unordentliches Aufsitzen des Ventilkopfes auf dem Ventilsitz
zu vermeiden. Dies wird bei der vorliegenden Konstruktion durch eine starre Ventilstange
12 erreicht, die in zwei ausgerichteten Führungen, nämlich der Führungsbohrung 18
im Ventilsitzkörper 14 und des Loches 15a in dem unteren Joch 15, gleitet, Diese
Konstruktion sichert eine vollkommene, einen dichten Abschluss verbürgende Ausrichtung
zwischen dem Ventilkopf 13 und dem Ventilsitz 14 und eine minimale Abnützung der
Sitzfläche.
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Eine Abweichung von der Ausrichtung der voneinander im Abstand befindlichen
Flächen mit begrenzten Berührungsflächen verringert die Bindung und das Haften.
Die von dem Balg 1 durch die verlängerte Öffnung 17 in der Querschiene 10 auf die
Itingnut 12a der Ventilstange 12 weitergeleitete Kraft ermöglicht eine begrenzte
Taumelbewegung zum Ausgleich einer unvollkommenen Ausrichtung der Kraft des Balges
mit der Achse der Ventilstange9 Die Lebensdauer eines Balges wird wesentlich verkürzt,
Wenn die auf den Balg ausgeübten Kräfte in einer anderen als der axialen Richtung
verlaufen. Das heisst, dass jede auf den Balg ausgeübte seitliche Druckkraft seine
Lebensdauer wesentlich herabsetzt, weil dann die Kräfteverteilung in dem Balg keine
gleichmässige mehr ist. Dies kann durch eine Analyse der Gestalt
des
Balges sichtbar gemacht werden. Dieser kann sich in Richtung seiner Mittelachse
völlig frei bewegen, wenn man aber versucht, den Balg in einer senkrecht zu seiner
Achse verlaufenden Richtung zu biegen, wird auf seiner einen Seite die Belastung
erhöht und auf seiner anderen Seite verringertO Die erhöhte Belastung zusammen iitWden
für die Bewegung des Ventilkopf es erforderlichen Kräften können die Lebensdauer
des Balges gefährlich beeinflussen. Daher verwendet die vorliegende Erfindung grosse'
Sorgfalt auf die Sicherung eines ausschliesslich axialen Verlaufs der auf den Balg
ausgeübten Kräfte. Die Bodenplatte 3 des Balges ist an dem Ventilsitzkörper starr
befestigt und seine Deckelverschlußplatte 4 ist mittels des Joches 8 und der Querschiene
10 mit dem Ventilkopf 13 verbunden0 Da die Querschiene 10 mit der Ventilstange 12
über eine langgestreckte Öffnung 17 verbunden ist, kann sich die Querschiene 10
quer zur Ventilstange 12 etwas bewegen. Auf diese Weise kann auf den Balg keine
seitliche Kraft übertragen werden0 Hin und wieder versagen auch die besten Vorrichtungen
und müssen ersetzt werden0 Es ist besonders wichtig, dass das thermostatische Betätigungsaggregat,einschliesslich
Ventilkopf und Ventilsitz, aus dem Gehäuse des Dampfwassertopfes entfernt werden
können, ohne dass die Rohranlage gestört wird. Die Störung der Rohranlage ist nicht
nur kostspielig, sondern, wenn eine Rohranlage seit vielen Jahren in Betrieb ist,
ist es fast unmöglich, die Rohre voneinander zu trennen, ohne dass sich die Notwendigkeit
ergibt, sie zu ersetzen.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung bildet das ganze thermostatische
Betätigungsaggregat, einschliesslich Ventilkopf und Ventilsitz, eine konstruktive
Einheit; die nachdem blossen Abnehmen des mit Schrauben 21 an dem Gehäuse 20 festgehaltenen
Deckels 19 in den Topf eingesetzt werden kann.
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Dieser Deckel liegt an dem Gehäuse in einem Winkel zur Horizontalen
an, damit das Anlegen eines Schraubenschlüssels an
dem Ventilsitzkörper
14 möglich ist, wenn der Deckel 19 abgenommen ist0 Der Balg und der Ventilsitz sind
so bemessen, dass für den Abschluß des Ventils innerhalb des Balges ein Druck erforderlich
ist, der grösser als der'Dampfdruck ausserhalb des Balges isto Wenn sodann der Balg
ausfällt, z,B, undicht wird, ist der Druck in seinem Innern der gleiche wie auf
seiner Aussenseite und das Ventil wird geöffnet. Dies ist eine sehr wichtige Eigenschaft,
weil dadurch der Dampfwassertopf gegen Undichtigkeit des Balges gesichert ist. Wenn
der Balg an dicht wird, wie dies bei längerem Gebrauch leicht eintreten kann, wird
somit der Topf geöffnet, während die bekannten Töpfe bei einem Ausfallen des Balges
geschlossen blieben, was zu einem Überfluten des Topfes mit allen seinen schlimmen
Folgen führen kann. Unter Umständen kann sich in dem Dampfsystem eine so grosse
Kondensatmenge ansammeln, dass Wasser in die Turbine gelangt. Die geringe Dampfmenge,
die der Dampfwassertopf nach der vorliegenden Erfindung verliert, wenn der Balg
versagt und daher der Topf geöffnet wird, ist ein nur unerheblicher Verlust, verglichen
mit dem Schaden,der entstehen kann, wenn der Topf nicht geöffnet wird, umdas in
ihm angesammelte Kondensat abzulassen0 Die Lebenserwartung eines Balges hängt weitgehend
von der Zahl der Bewegungen ab, die er ausführen muss. Bei der vorliegenden Konstruktion
wird die Bewegung des Balges auf die Bewegung beschränkt, die zum Schliessen des
Ventilkopfes und zum ausreichenden Öffnen für die gewünschte Stärke des Strömens
durch den Topf erforderlich ist. Der Betrag des Zusammenziehens des Balges wird
durch die Bemessung der Bodenplatte 3 und der Deckelplatte 4 bestimmt. Wenn sich
der Balg zusammenzieht, um eine ausreichende Strömung durch den Topf herbeizuführen,
liegt die Bodenplatte an dem Deckelverschluss
4 an und dadurch
wird ein weiteres Zusammenziehen des Balges verhindert. Wenn andererseits sich der
Balg hinreichend ausgedehnt hat, um den Ventilkopf 13 in seine Schließstellung zu
bringen, ist der Querstreifen 10 sowohl durch das Joch 8 mit dem oberen Ende des
Balges als auch mit der Ventilstange 12 verbunden, die sich nicht mehr weiter nach
oben bewegen kann, wodurch eine weitere Expansion des Balges verhindert wird.
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Das gesamte Betätigungsaggregat ist aus zwei Gründen aus einem möglichst
dünnen Material gefertigt, Erstens hängt das Ansprechen des Topfes von einem Temperaturwechsel
ab.
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Wenn nun das Konstruktionsmaterial massiv ist, würde die Wärmemenge
zum Erwärmen und Abkühlen dieser Masse gross sein.
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Daraus folgt, dass die Temperaturänderungen träge und der Topf unempfindlich
sein würden Dagegen spricht eine geringe Masse schnell auf Temperaturänderungen
an. Zweitens haben alle Dampfwassertöpfe eine Neigung zu schwingen, wenn ein Dampfstrom
mit hoher Geschwindigkeit über in seinem Weg gelegene Gegenstände strömt, Durch
diese Schwingungen wird die Lebensdauer des Mecianismus verringert0 Wenn die Konstruktionsmasse
klein ist, sind die natürlichen Frequenzen der Schwingungen höher als die von dem-Dampf
hervorgerufenen, normalen Schwingungsfrequenzen, Als Folge davon wird eine Resonnanz
vermieden und die von den Schwingungen hervorgerufenen Kräfte werden verringert.
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Die gesamte Konstruktion kann aus rostfreiem Stahl, Monelmetall oder
anderem nicht korrodierenden Material bestehen, um einen durch das korrosive Kondensat
hervorgerufenen Ausfall zu vermeiden Zur Vereinfachung der sprachlichen Darstellung
beschreiben die Ansprüche die Erfindung unter der Annahme der gleichen
Aufstellage
wie in der Zeiéhnang. Es ist klar, dass Ausdrücke wie "oben" und "unten" sich nur
auf die relative Lage der Einzelteile beziehen und dass die Ansprüche die Konstruktion
in Jeder Aufstellage umfassen sollen Fachleute können innerhalb des Bereichs der
Erfindung manche Abwandlungen vornehmen Daher ist die Erfindung nicht auf die besonderer
beschriebene und dargestellte Ausführungsform beschränkt.