DE2722431A1

DE2722431A1 - Verfahren und vorrichtung zum anreichern der luft mit katalysierend wirkendem wasserdampf

Info

Publication number: DE2722431A1
Application number: DE19772722431
Authority: DE
Inventors: Jun Fred Albert Wentworth
Original assignee: WENTWORTH JUN
Current assignee: WENTWORTH JUN
Priority date: 1976-08-31
Filing date: 1977-05-18
Publication date: 1978-03-02
Also published as: ES462002A1; JPS5728846B2; NZ184644A; AU2774777A; AR214738A1; CH625871A5; IT1083610B; BR7703751A; NL7706986A; AU510192B2; MX146089A; FR2363762A1; SE7706933L; JPS5341828A; FR2363762B1; US5558513A; ZA773638B; US5592903A; DE2722431C3; CA1067812A

Description

DR.-ING. DIPL.-ING. M. SC. OIPL.- = HYS. OR. DlPL.-PHYS. HÖGER - STELLRECIiT - GRIE3SBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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Fred Albert Wentworth, Jr. Brentwood Road, RFD 2, Exeter, New Hampshire 03833, U.S.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Anreichern der Luft mit katalysierend wirkendem Wasserdampf

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Anreichern der Luft mit katalysierend wirkendem Wasserdampf im Lufteinlaßbereich einer Verbrennungseinrichtung für fossile Brennstoffe oder dergleichen.

Die Erfindung soll dem Zweck dienen, einen Leistungsverstärker für Verbrennungseinrichtungen für fossile Brennstoffe und dergleichen zu schaffen, und zwar durch Schaffung eines kontrollierbaren Wasserdampfgehalts.

Es ist an sich bekannt, daß hohe Feuchtigkeit die Leistung einer Verbrennungskraftmaschine verbessern kann. Es sind bereits verschiedene Wassereinspritzeinrichtungen auf dem Markt, durch welche die Leistung und die Wirtschaftlichkeit von Automobilmotor en verbessert werden soll. Ferner sind insbesondere gewerbliche ölbrenner bekannt, bei denen zur Verbesserung der Verbrennung Wasserdampf dazu ausgenutzt wird, das öl zu zerstäuben.

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Bei allen diesen Anordnungen muß jedwede zusätzlich gewonnene Energie entweder auf eine Energieumwandlung aus zusätzlich geschaffener Brennstoffmasse oder auf eine wirksamere und vollständigere Verbrennung des Brennstoffes zurückgehen. Mit Wasser als katalysierend wirkendem Mittel sind die beiden dieser Gründe möglich; in den meisten Fällen ist eine Kombination der beiden Möglichkeiten anzunehmen. Meistens erfolgte bisher eine Zugabe merklicher Feuchtigkeitsmengen bei Kraftfahrzeugmotoren. Die Kosten des entsprechenden Zubehörs waren offenbar bisher ein Hindernis, Wasserdampf-Zuführeinrichtungen auch bei häuslichen Beheizungsanlagen einzusetzen.

Es ist ferner bekannt, daß Wasserdampf als Katalysator für die Verbrennung wirken kann, vgl. Van Nostrand's Scientific Encyclopedia, 4. Auflage, 5. 1501. Eine brauchbare Anwendung dieses Phänomens fehlt bisher bei den meisten handelsüblichen Verbrennungseinrichtungen (Verbrennungskraftmaschinen, Brennanlagen) .

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen anzugeben, mit deren Hilfe in einfacher Weise in den Einlaßbereich von Verbrennungseinrichtungen Wasserdampf eingebracht werden kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein aus folgenden Merkmalen bestehendes Verfahren gelöst:

a) man erzeugt einen von der Druckseite einer Druckquelle durch einen Wasservorrat hindurch zurück zur Saugseite der Druckquelle kontinuierlich zirkulierenden Luftstrom;

b) man hält ein bestimmtes Volumen der zirkulierenden Luft in einem in den Strömungsweg eingeschalteten Raum zurück;

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c) man verbindet eine auf der Druckseite der Druckquelle gelegene Stelle im Strömungsweg der zirkulierenden Luft mit dem Lufteinlaßbereich der Verbrennungseinrichtung;

d) man läßt auf der Saugseite der Druckquelle eine bestimmte Menge an Frischluft in den zirkulierenden Luftstrom eintreten;

e) man steuert den Eintritt der Frischluft in den zirkulierenden Luftstrom derart, daß der in den Einlaßbereich der Verbrennungseinrichtung eintretende Anteil der mit Dampf aus dem Wasservorrat angereicherten Luft kleiner als der zwischen Druckquelle und Wasservorrat strömende Luftanteil ist.

Der Kern der Erfindung besteht also darin, daß man einen kontinuierlich durch einen Wasservorrat hindurch zirkulierenden Luftstrom erzeugt und einen Teil dieses Luftstroms unter FriscHuftersatz in den Lufteinlaßbereich einer Verbrennungseinrichtung einleitet.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß die Druckseite einer Luftpumpe an eine Leitung angeschlossen ist, die unterhalb des Flüssigkeitsspiegels eines zumindest teilweise aus Wasser bestehenden Flüssigkeitsvorrates in einem abgeschlossenen Behälter ausmündet, daß die Saugseite der Pumpe mit dem Behälter an einer oberhalb des Flüssigkeitsspiegels gelegenen Stelle derart verbunden ist, daß ein ständig durch die Flüssigkeit hindurch zirkulierender Luftstrom entsteht, daß die Saugseite der Pumpe weiterhin zum Zwecke der Frischluftansaugung mit der Umgebung verbunden ist, und daß Leitungsmittel vorgesehen sind, durch die ein ständig durch Frischluft ersetzter Anteil des zirkulierenden Luftstroms in die Verbrennungseinrichtung einleitbar ist.

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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung bestehen in folgendem:

Der Luftraum oberhalb eines Wasservorrats in einem Behälter wird mit dem Lufteinlaß einer Verbrennungseinrichtung verbunden. Eine zweite Verbindung wird zwischen einer unterhalb des Wasserspiegels im Behälter gelegenen Stelle zur Druckseite einer Druckquelle hergestellt. Zusätzlich zu der zur Verbrennungseinrichtung führenden Verbindung wird der Luftraum im Behälter an die Saugseite der Druckquelle derart angeschlossen, daß ein Teil der unter dem Wasserspiegel in den Behälter eingeführten Luft kontinuierlich durch die Druckquelle zirkuliert.

Eine mit Wasser nicht mischbare Flüssigkeit wird als aufschwimmende Schicht über den Viasserspiegel gelegt und dient als Barriere zur Verhinderung einer Reabsorption von aus dem Wasser abgezogener Feuchtigkeit. Die Verbindungsleitungen erhalten einen solchen Querschnitt und / oder man verwendet Steuerventile derart, daß die zirkulierende Luft auf einem wesentlich höheren Strömungsniveau gehalten wird, als diejenige Luft, die in die Verbrennungseinrichtung eintritt.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockdiagramm zur Darstellung wesentlicher Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer anderen Vorrichtung gemäß der Erfindung und

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Fig. 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 weist eine Verbrennungseinrichtung 10 einen Lufteinlaß 11 auf, in welchepeine mit Wasserdampf angereicherte Luft führende Leitung 12 einmündet, die von einer Wasserdampf-Katalysatorvorrichtung 14 ausgeht. Die Vorrichtung 14 umfaßt einen Flüssigkeitsbehälter 16, der teilweise mit Wasser 17 gefüllt ist. Auf der Oberfläche des Wassers schwimmt eine Schicht aus einem mit Wasser nicht mischbaren Medium 18. Synthetisches Ol ist zur Ausbildung der Schicht 18 geeignet, jedoch können auch andere, mit Wasser nicht mischbare Flüssigkeiten verwendet werden. Die Funktion der Schicht 18 liegt darin, einen absorptiven Übergang von Feuchtigkeit oder anderen Bestandteilen zwischen dem Wasser 17 und dem Raum im oberen Bereich des Behälters 16 zu verhindern. Die Schicht 18 sollte eine geringe Flüchtigkeit besitzen, so daß sie von dem aus dem Behälter austretenden Luftstrom nicht weggeführt wird. Aus einer Leitung 20 strömt Luft unter Druck von der Druckseite 21 einer Luftpumpe 22 zu einer unterhalb des Wasserspiegels gelegenen Stelle. Die Leitung 12 setzt sich in

eine Leitung 24 fort, die an der Oberseite des Behälters 16 ober halb des Wasserspiegels einmündet. Damit ist eine Verbindung zwischen dem oberhalb des Wasserspiegels gelegenen Raum im Behäl ter 16 zu einer dem Lufteinlaß 11 vorgeschalteten Mischkammer hergestellt. Die Mischkammer 25 ist ihrerseits wiederum durch eine Verbindungsleitung 26 mit der Saugseite 27 der Pumpe 22 zurückverbunden. Auf diese Weise erzeugt die Pumpe 22 durch die Leitung 24 im oberen Bereich des Behälters 16 einen niedrigen Druck und an der Mündung des Rohres 20 einen hohen Druck, wel cher zu Luftblasen 28 führt, die durch das Wasser 17 und die Schicht 18 hindurch nach oben steigen. Bei Betrieb der Pumpe 22 zirkuliert auf diese Weise kontinuierlich ein Luftstrom durch

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das im Behälter 16 enthaltene Wasser und über die Mischkammer 25 zur Pumpe zurück. In der zirkulierenden Luft und damit in der Mischkammer 25 bildet sich dabei ein stabiler Gehalt an Wasserdampf aus. Die Auslaßöffnung der Leitung 12 ist durch die Mischkammer 25 mit dem Lufteinlaß 11 der Verbrennungseinrichtung 1O verbunden. Die Menge des von der Luft als Katalysator mitgenommenen Wasserdampfes, welcher in den Einlaß 11 eingeführt wird, hängt von der gegenseitigen, räumlichen Anordnung der Leitungen 12 und 26 und vom Ausmaß der Isolation zwischen diesen Leitungen und im Haupteinlaß für die Verbrennungsluft ab und läßt sich durch Einstellung der genannten Parameter steuern. Der Rest des durch die Pumpe 22 erzeugten Luftstroms zirkuliert ständig durch die Anordnung, wobei die Zirkulationsgeschwindigkeit hoch genug gehalten wird, so daß die Menge der auf der Saugseite 27 neu eintretenden Luft oder deren Feuchtigkeitsgehalt keine Veränderungen im Feuchtigkeitsgehalt der Luft in der Mischkammer 25 hervorruft.

Fig. 2 zeigt ein pyramidenförmiges Oberteil 30 des Behälters und weiterhin schaubildlich Schlauchverbindungen 34 und 36 zum Lufteinlaßbereich 37 eines Luftfilters bei einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise einem Kraftfahrzeugmotor. Die als Druckquelle dienende Luftpumpe 22 wird über ein Rad 38 angetrieben, und zwar beispielsweise durch den auch das Gebläse des Motors antreibenden Keilriemen. Sowohl der Einlaß 31 an der Saugseite wie auch der Auslaß 32 an der Druckseite der Pumpe 22 sind dicht verschlossen mit Ausnahme der Verbindungsstellen für den Schlauch 34 bzw. einen weiteren Schlauch 35. Die Mündung des Schlauches 34 ist so im Lufteinlaßbereich 37 des Filters angeordnet, daß über diesen Schlauch Luft aus der Innenseite des Filters angesaugt wird. Der Schlauch 35 ist so mit der Pumpe und der Rohrleitung 20 im Behälter 16 verbunden, daß in der Leitung 20 ein durch die Pumpe erzeugter Luftdruck entsteht. Der

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Schlauch 36 führt vom pyramidenförmigen Oberteil oberhalb des Wasserspiegels im Behälter 16 zum Einlaßbereich 37 des Luftfilters, um mit Wasserdampf angereicherte Luft auf der Innenseite des Einlaßbereiches 37 abzugeben. Bei der Anordnung nach Fig. 2 gibt es keine besonderen, kritischen Bemessungs- oder Druckprobleme; die Anordnung muß jedoch so ausgebildet werden, daß sich ein langsamer, jedoch stetiger Strom aus Blasen 28 bei Leerlaufgeschwindigkeit des Motors einstellt. Durch symmetrische Anordnung der Enden der Schläuche 34 und 36 im Einlaßbereich 37 des Luftfilters wird der Einfluß der vom Motor erzeugten Ansaugwirkung ausgeglichen und es stellt sich die erwünschte Wechselwirkung zwischen den Schläuchen 34 und 36 ein, die dazu führt, daß einerseits der größte Teil des Luftstroms in Zirkulation gehalten wird und ein kleiner Teil dieses Stroms ständig durch den Einlaßbereich 37 zum Verbrennungsmotor hin abgesaugt wird, während gleichzeitig die zur Kompensation dieses abgesaugten Luftanteiles erforderliche Frischluftmenge in die Leitung 34 eintreten kann.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 erfüllt der Einlaßbereich 37 des Luftfilters die Funktion der Mischkammer 25 aus Fig. 1, wobei, wie gesagt, eine ständige Luftzirkulation über die Pumpe 22 stattfindet, etwas Frischluft der Pumpe zugeführt und etwas mit Wasserdampf beladene Luft der Verbrennungseinrichtung zugeleitet wird. Die Pumpe 22 braucht nicht unbedingt vom Gebläse-Keilriemen des Motors angetrieben zu werden. Die Pumpe kann beispielsweise auch an einen Elektromotor angeschlossen werden. Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung vermittelt eine Kontrolle über diejenige Luftmenge, die durch den Wasservorrat hindurch zum Einlaß der Verbrennungskraftmaschine geführt wird, im Vergleich mit der Luftmenge, die in der Vorrichtung zirkuliert. Diese Kontrolle oder Einsteuerung erfolgt lediglich über entsprechende Positionierung der Enden der Schläuche 34 und 36 im Einlafi-

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bereich 37 des Luftfilters. Eine weitere Steuerungsmöglichkeit läßt sich leicht dadurch verwirklichen, daß man Prallplatten oder andere, äquivalente Mittel einsetzt, welche die Schläuche 34 und 36 teilweise vom Einlaßbereich der Verbrennungsluft isolieren. Der Gesamtstrom durch die Pumpe 22 kann weiterhin durch ein Ventil in dem einen oder anderen der Schläuche 34, 35 und 36 einreguliert werden.

Bei der Vorrichtung entsprechend Fig. 3 erfolgt der Frischlufteinlaß direkt aus der Umgebungsluft. Die Dampfkatalysatoreinrichtung 40 weist lediglich eine einzige Verbindung 12 zur Kammer 25 der Verbrennungseinrichtung 10 auf. Eine Rohrleitung 41 verbindet den oberen Bereich des Behälters 16 mit der Saugseite 27 der Pumpe 22. Die Frischluft gelangt über ein Einlaßrohr 42 zur Saugseite 27. Die Druckleitung 20 bleibt zusammen mit den übrigen Teilen der Vorrichtung erhalten. Die Steuerung der Durch luft mit Bezug auf die zirkulierende Luft erfolgt durch Reduzierung des Lufteintritts im Rohr 42 oder des Luftaustritts in der Leitung 12 durch jeweils entsprechende Ventile V.

Bei der Vorrichtung 40 nach Fig. 3 muß die Menge der in die Verbrennungseinrichtung 10 eintretenden Abluft gleich der in das Rohr 42 neu eintretenden Luft sein. Diese Mengen sind von dem Volumen und der Fließgeschwindigkeit der zirkulierenden Luft völlig unabhängig. Auf diese Weise ist eine genauere Steuerung als bei der Vorrichtung entsprechend Fig. 1 möglich. Der Luftraum im oberen Bereich des Behälters 16 und der Luftraum im Innern der Pumpe 22 dienen als Kammern mit konstantem Wasserdampfgehalt. Solange der zirkulierende Luftstrom mit Bezug auf den zur Verbrennungseinrichtung 10 fließenden Luftstrom ausreichend hoch gehalten wird, ist der Wasserdampfgehalt der zur Verbrennungseinrichtung 10 fließenden Luft relativ unabhängig vom Wasserdampfgehalt der in daä Rohr 42 eintretenden Frischluft. - 12 -

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Das Prinzip entsprechend Fig. 3 ist in Zusammenhang mit einem ölbrenner 50 in Fig. 4 dargestellt. Ein durch ein Ventil 52 steuerbarer Lufteinlaß 51 führt zur Saugseite 54 einer Pumpe Die Druckseite 56 dieser Pumpe ist über ein Rohr 57 mit einer unterhalb des Wasserspiegels im Behälter 16 gelegenen Stelle verbunden. Ein Saugrohr 60 reicht von der Saugseite 54 der Pumpe 55 unter Zwischenschaltung eines Ventils 58 bis zum Boden des Behälters 16. Im Rohr 60 sind jedoch im Luftraum oberhalb des Wasservorrats Perforationen 63 vorgesehen, so daß kein Wasser, sondern lediglich Luft in das Rohr 60 eingesaugt wird. Eine weitere Verbindung zur Druckseite 56 der Pumpe 55 wird durch den Schlauch 61 dargestellt. Dieser Schlauch 61 verbindet eine Stelle 62 niederen Drucks im Einlaßkompressor 64 des ölbrenners 50. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, sind die Leitungen 57 und 60, welche die Luftzirkulation zwischen dem Behälter 16 und der Pumpe 55 vermitteln, weiter als das den Lufteinlaß vermittelnde Rohr 51 und der die mit Wasserdampf angereicherte Luft zum Kompressor 64 führende Schlauch 61. Eine weitere Steuerung ist durch die Ventile 52 und 58 gegeben, mit deren Hilfe der Luftstrom in den entsprechenden Leitungen reguliert werden kann. Obwohl auch eine zusätzliche Mischkammer angebaut werden kann, übernimmt normalerweise der Raum im Gehäuse der Pumpe 55 und im oberen Bereich des Behälters 16 die Funktion der Mischkammer. Im Betrieb wird das Ventil 58 so eingestellt, daß sich auf der Druckseite 56 der Pumpe 55 eine konstante relative Feuchtigkeit ergibt. Das Ventil 52 wird so einreguliert, daß sich eine maximale Verbrennungsleistung und Ausbeute des Brennstoffes im ölbrenner 50 ergibt, was durch herkömmliche Prüfapparate festgestellt werden kann. Es wurde gefunden, daß diese Einstellungen einen wesentlich größeren, zirkulierenden Luftstrom zwischen Pumpe 55 und Behälter 16 erzeugen als der Strom durch das Rohr 51 und den Schlauch 61.

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Die Erfindung wurde im Voranstehenden unter Bezugnahme auf besondere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß der kontinuierlich zirkulierende, mit Wasserdampf beladene Luftstrom das wesentliche Merkmal der Erfindung ist. Die Abmessungen, Formen, Werkstoffe und die relativen Positionen des Behälters 16, der Pumpen 22 und 55, der Ventile und der Verbindungsleitungen können, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen^variiert werden.

Die in den Ausführungsbeispielen als Zentrifugalpumpe dargestellte Pumpe 22 kann beispielsweise auch eine hin- und hergehende Pumpe, eine Pumpe mit angetriebenem Kolben oder eine Balg-Pumpe sein. Pumpen mit einem Balg aus Gummi, wie sie beispielsweise an Heim-Aquarien verwendet werden, erwiesen sich als brauchbar und zufriedenstellend.

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Claims

Patentansprüche

.J Verfahren zum Anreichern der Luft mit katalysierend wirkendem Wasserdampf im Lufteinlaßbereich einer Verbrennungseinrichtung für fossile Brennstoffe, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) man erzeugt einen von der Druckseite einer Druckquelle durch einen Wasservorrat hindurch zurück zur Saugseite der Druckquelle kontinuierlich zirkulierenden Luftstrom;

b) man hält ein bestimmtes Volumen der zirkulierenden Luft in einem in den Strömungsweg eingeschalteten Raum zurück;

c) man verbindet eine auf der Druckseite der Druckquelle gelegene Stelle im Strömungsweg der zirkulierenden Luft mit dem Lufteinlaßbereich der Verbrennungseinrichtung;

d) man läßt auf der Saugseite der Druckquelle eine bestimmte Menge an Frischluft in den zirkulierenden Luftstrom eintreten;

e) man steuert den Eintritt der Frischluft in den zirkulierenden Luftstrom derart, daß der in den Einlaßbereich der Verbrennungseinrichtung eintretende Anteil der mit

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Dampf aus dem Wasservorrat angereicherten Luft kleiner als der zwischen Druckquelle und Wasservorrat strömende Luftanteil ist.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckseite (21) einer Luftpumpe (22) an eine Leitung (20) angeschlossen ist, die unterhalb des Flüssigkeitsspiegels eines zumindest teilweise aus Wasser bestehenden Flüssigkeitsvorrates (17) in einem abgeschlossenen Behälter (16) ausmündet, daß die Saugseite (27) der Pumpe (22) mit dem Behälter (16) an einer oberhalb des Flüssigkeitsspiegels gelegenen Stelle derart verbunden ist, daß ein ständig durch die Flüssigkeit hindurch zirkulierender Luftstrom entsteht, daß die Saugseite (27) der Pumpe

(22) weiterhin zum Zwecke der Frischluftansaugung mit der Umgebung verbunden ist, und daß Leitungsmittel (12, 25, 36, 37, 56, 61) vorgesehen sind, durch die ein ständig durch Frischluft ersetzter Anteil des zirkulierenden Luftstroms in die Verbrennungseinrichtung (10, 50) einleitbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Saugseite (27) der Pumpe (22) ausgehende und oberhalb des Flüssigkeitsspiegels in den Behälter mündende Leitung (12, 26; 34, 36) zur Entnahme eines Teils des zirkulierenden Luftstroms und zur Frischluftansaugung im Lufteinlaßbereich (25, 37) der Verbrennungseinrichtung (10) eine Unterbrechung aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entnahme eines Teils des zirkulierenden Luftstromii eine Leitung (12,24, 61) vorgesehen ist, die direkt vom Lufteinlaßbereich (25) der Verbrennungseinrichtung (10) zu einer Stelle oberhalb des Flüssigkeitsspiegels im Behälter (16) führt.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Leitungen (12, 20, 41, 42) zwischen Umgebung, Pumpe (22), Behälter (16) und Verbrennungseinrichtung (10, 50) Ventile (V, 52, 58) zur Regulierung des zirkulierenden Luftstroms und des entnommenen Luftanteils angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindungsleitung (41) zwischen der Saugseite (27) der Pumpe (22) und dem Luftraum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels im Behälter (16) als perforiertes Rohr

(60) ausgebildet ist, welches vom Boden bis zur Oberseite des Behälters reicht.

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