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Verfahren zur Kühlung beispielsweise von Wettern
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und Maschinen im Untertagebergbau und Vorrichtung zur Durchführunq
des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung beispielsweise von
Wettern und/oder Maschinen im Untertagebergbau mittels eines, eine übertägige Kältemaschine
und einen untertägigen Hochdruck--Wärmetauscher einbeziehenden Hochdruck-Flüssigkeits-Kreislaufs
sowie eines zweiten durch den Hocharuck-Wärmetauscher rückkühlbaren mit Verbrauchern
verbundenen Niederdruck-Flüssigkeitskreislaufs in den zur weiteren Kühlung Kondensatoren
eingeschaltet werden können. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens.
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Im Rahmen des immer weiter nach Norden umgehenden Steinkohlenabbaus
im Ruhrgebiet und des Eindringens in immer tiefer gelegenere Flöze treten die Wärmeprobleme
in diesen Gruben immer mehr in der Vordergrund. Die zur Zeit bekannten Hilfsmittel
zur Erzeugung von kalten Wettern oder Flüssigkeiten vornehmlich on kaltem Wasser
sind Kühl- oder Kältemaschinen bzw. Wärmeaustauscher.
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Die üblicherweise heute durchgeführte Kühlung im Untertagebergbau
besteht aus zwei unabhängigen Kreisläufen, wobei das beispielsweise durch eine Kältemaschine
auf 3 Grad herabgekühlte Wasser im Hochdruck-Kreislauf unter Aufnahme von Warme
den sogenannten Sekundärkreislauf mittels eines Hochdruckwärmetauschers kühlt.
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Das gekühlte Wasser tritt in den Wärmetauscher mit 3 Grad ein und
mit einer Erwärmung auf 23 Grad wieder aus dem Warmetauscher heraus. Dabei wird
das durch den Verbraucher im Sekundärkreislauf beispielsweise auf 27 OC erwärmte
Wasser auf 8 cc heruntergekühlt. Durch Einschalten von zusätzlichen Kondensatoren
ist es möglich, das den Verbrauchern zuzuführende, auf 8 cc herabgekühlte Wasser
weiter auf 5 cc abzukühlen.
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Ein wesentlicher Nachteil eines derartigen Kühlsystems liegt darin,
daß bedingt durch die großen Teufenn im Rohrgebietsbergbau, das in den Untertagebergbau
eingespeiste kalte Wasser einen Hochdruck-Kreislauf aufbaut, der zwangsläufig zu
zwei voneinander zu trennenden Kreisläufen führt. Ein weiterer Nach teil ist in
den Energieverlusten zu sehen, die dadurch verdeut-Sicht werden, daß das kalte Wasser
im Hochdruck-Kreislauf dem Wärmetauscher mit 3 cc zugeführt wird und das mit ca..
27 in o
den Wärmetauscher eingespeiste Wasser des Niederdruck-Kreislaufs
nur auf 8 OC herabgekühlt werden kann Darüber hinaus erfordern Wärmetauscher mit
sämtlichem Zubehör hohe Investitionen.
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Der Wirkungsgrad eines Wärmetauschers ist abhängig von der Wärmeübergangsfläche,
wodurch in Abhängigkeit eines guten Wirkungsgrades eine große räumliche Bauweise
erforderlich wird.
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Der durch die Teufe bedingte Hochdruck der Kühlflüssigkeit erfordert
zwei voneinander unabhängige FlUssigkeitskreisläufe.
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Andererseits würden die auftretenden Drücke im Hochdruck-Kreislauf
Rohrwandungen erfordern, die ein derartiges Kühlverfahren vom Konstruktionsaufwand
her unmöglich macht.
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Demgegenüber hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt ein Verfahren
zur Kühlung von Wettern und Maschinen im Untertagebergbau zu schaffen, dessen Wirkungsgrad
unter Vermeidung von Verlusten annähernd einem Optimum gleichkommt, welches die
für die Wärmetauscher erforderlichen hohen Investitionen in bezug auf die Maschinentechnik
und die räumlichen Abmessungen unter Tage vermeidet und das darüber hinaus auf einfache
Weise und ohne zusätzlichen Energieaufwand eine Umwandlung des Hochdruckbereiches
in einen Niederdruckbereich gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem
Hochdruck-Flüssigkeit-Kkreislauf und dem Niederdruck-Flüssigkeits-Kreislauf ein
direkter und kontinuierlicher Austausch von Flüssigkeiten unterschiedlicher Temperaturen
und DrticJfe mittels
eines an den Enden der Kammen Sperrorgane
aufweisenden Dreikammer-Rohraufgebers stattfindet, wobei die Sperrorgane in Verbindung
mit Kontaktmanometern den Druckaufbau bzw. den Druckabbau der Flüssigkeiten übernehmen.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin :- - sehen, daß die
Übertage gekühlte und in den Hochdruck-Flüssigkeits-Kreislauf eingespeiste Flüssigkeit
im Hochdruckbereich die kontinuierliche Förderung der durch die Verbraucher erwärmten
Flüssigkeiten mittels des Dreikammer-Rohraufgebers nach übertage und die untertage
erwärmte Flüssigkeit die Förderung der in den Kammern mittels Sperrorganen drucklos
gekühlten Flüssigkeit im Niederdruckbereich zum Verbraucher übernehmen. Das erfindungsgemäße
Verfahren schafft auf diese Weise den direkten Tausch von Warmwasser gegen Kaltwasser,
wobei dieFörderung jeweils keinen zusätzlichen Energieaufwand benötigt.
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Weiterhin erweist es sich im Rahmen der Erfindung als besonders vorteilhaft,
daß bei gleichen Kühlflüssigkeitsmengen und -geschwindigkeiten in dem Hochdruck-
und Niederdruck-Flüssigkeitskreislauf die erforderliche Kühlwassermenge über eine
Temperaturmessung am Verbraucher in Verbindung mit einer Regelstrecke ermittelt
wird, wobei die Kühlwassermenge über eine weitere in dem Hochdruck-Kreislauf eingeschaltete
Regelkette angeglichen wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Flüssigkeitsmengen
beider Kreisläufe in Abhängigkeit von der durch die Verbraucher geforderten Menge
gleich zu halten.
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Weiterhin erweist es sich als besonders vorteilhaft, daß die kontinuierliche
Füllung und Entleerung der Kammern über ein zentrales Steuersystem durchgeführt
wird, wobei die Signale von Zeitgliedern und/oder Integratoren, Kontaktmanometern
und Endschaltern der Sperrorgane mit einer Folgesteuerung ausgelöst werden.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erweist es sich
als besonders vorteilhaft, daß als verbindendes und den Flüssigkeitsaustausch regelndes
Element zwischen dem Hochdruck-Flussigkeits-Kreislauf und dem Niederdruck-Flüssigkeits-Kreislauf
mindestens ein Dreikantmer-Rohraufgeber vorgesehen ist, wobei jede Kammer den Hochdruck-Kreislauf
bildend mit einer von übertage kommenden Kaltwasserleitung und einer nach übertage
führenden Warmwasserleitung sowie den Niederdruck-Kreislauf bildend mit einer zum
Verbraucher führenden Kaltwasserleitung und einer vom Verbraucher kommenden Warmwasserleitung
in geschlossenen und/oder unterbrochenen Kreislauf verbunden ist, wobei an den Kammern
Sperrorgane und in Verbindung mit Kontaktmanometern zum Druckaufbau und zum Druckabbau
Druckausgleichsorgane angeordnet sind.
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Der technische Fortschritt der Erfindung ist insbesondere darin begründet,
daß ein annähernd optimaler Wirkungsgrad bei der Kühlung erzielt wird, daß auf kostensparende
-Weise das in die Grube eingespeiste Kaltwasser zur Förderung des erwärmten Wassers
genutzt wird, daß darüber hinaus die durch das Verfahren übertage anfallende Wärme
zur weiteren Nutzung zur Verfügung steht und daß darüber hinaus die bestehenden
Flüssigkeitskreisläufe zur Frischwasserhaltung verwendet werden können.
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Mehrere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw.
der zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Vorric>-tung sind in den Zeichnungen
dargest,ellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematisierte
Darstellung eines Dreikammer-Rohraufgebers in Verbindung mit einem Hochdruck-und
einem Niederdruckkreislauf mit Füllung und Entleerung im Gegenstromprinzip; Fig.
2 eine schematisierte Darstellung eines Dreikammer-Rohraufgebers vergleichbar mit
der Anordnung nach Fig. 1 jedoch mit gleicher Füllt und Entleerungsrichtung, Fig.
3 zwei in Reih,e geschaltete Dreikammer-Rohraufgeber, und zwar einer im Gleichstrom-
und einer im, Gegenstromverfahren, Fig. 4 ein Zeitdiag,ramm der Steuerung eines
Dreikammer-Rohraufgebers mit kontinuierlicher Füllung und Förderung.
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Die in Fig. 1 in schematisierter Form dargestellte Anordnung eines
Dreikammer-Rohraufgebers mit den Kammern A, B, C verbindet in einem direkten und
kontinuierlichen Austausch von Wasser unterschiedlicher Temperatur und unterschiedlicher
Drücke den Hochdruckkreislauf HD mit dem Niederdruckkreislauf.
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Von übertage wird Wasser von einer Kältemaschine oder einer Wärmenutzungsanlage
25 über eine Kaltwasserleitung 26 mit 3 QC in einen Wasserbehälter 27 geleitet.
Über den Wasserbehälter 27 wird das gekühlte Wasser in die Kaltwasserleitung 17
eingespeist
und den Kammern A1 B, C zugeführt. Der Druckaufbau
in den Kammern A, B, C bzw. der Druckabbau wird durch Sperrorgane 1 bis 12a in Verbindung
mit den Kontaktmanometern 13, 14, 15 vorgenommen.
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Das von einem Verbraucher 18 kommende und beispielsweise auf eine
Temperatur von 27 °C erwärmte Wasser wird über die Warmwasserleitung 19 im Gegenstromverfahren
den Kammern Ac B und C zugeführt. Zur Überwindung der Leitungsverluste in der Kaltwasserleitung
17 bzw. in der Warmwasserleitung 19 sind zusätzliche Pumpen 28 bzw. 20 in diese
Leitungen eingebaut.
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In einem geschlossenen Niederdruckkreislauf ND, wie er in der Fig.,
1 dargestellt ist, wird das erwärmte Wasser mit dem im Niederdruckkreislauf herrschenden
Druck in die Kammern A, B, C gefüllt. Da durch den Dreikammer-Rohraufgeber eine
kontinuierliche Füllung der Kammern bzw. eine kontinuierliche Förderung stattfindet,
ist ein zentrales Steuersystem vorgesehen, wobei die Signale von Zeitgliedern und/oder
Integratoren, durch Kontaktmanometer sowie durch die Endschalter der Sperrorgane
mit einer Folgesteuerung ausgelöst werden.
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Während die Kammer A das erwärmte Wasser über die Warmwasserleitung
16 nach übertage fördert1 wird die Kammer B mit erwärmtem Wasser gefüllt, welches
gleichzeitig das kalte Wasser in den Niederdruckkreislauf ND in Richtung auf, den
Vorbraucher 18 au,(s der Kammer B drückt. Der genaue Arbeitsablauf der einzelnen
Kammern A, B, C in Verbindung mit der Schaltung der Sperrorgane 1 bis 12a wird im
Detail nachfolgend noch anhand des Zeitdiagramms geschildert.
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Im Niederdruckkreislauf ND ist in der Kaltwasserleitung 17 eine Regelstrecke
eingebaut, die aus einem Mengenmeßgerät 22 und einem Regelorgan 23 besteht. In Abhängigkeit
von der durch das Temperaturmeßgerät 24 ermittelten Menge desKaltwassers beim Verbraucher
18 wird diese Menge durch'die Regelstrecke im Niederdruckkreislauf ND vermittelt.
Die durch das Mengenmeßgerät 22 bzw. das Regelorgan 23 ermittelte, im Niederdruckkreislauf
erforderliche Kaltwassermenge wird an ein weiteres Regelorgan innerhalb des Hochdruckkreislaufs
HD weitergegeben, das ebenso aus einem Mengenmeßgerät 29' und einem Regelorgan 30
besteht. Auf diese Weise wird die in den Kreisläufen befindliche Menge an Wasser
gleich groß gehalten.
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Nach einem weiteren nicht in den Zeichnungen dargestellten Anordnung
ist es möglich, den Niederdruckkreislauf ND in unterbrochener Form dem Hochdruckkreislauf
nachzuschalten. Bei der Verwendung von Kühlwasser für verschiedenartige Verbraucher
ist es erforderlich, das durch verschiedene Verbraucher erwärmte Wasser in einem
zusätzlichen Reservoir aufzufangen und über eine weitere Pumpe den Kammern A, B
und C zuzuführen.
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Wenn übertage statt einer Kältemaschine 25 eine Wärmenutzungsanlage
vorgesehen ist, in der beispielsweise das über die Warmwasserleitung 16 zutage geförderte
warme Wasser in Form einer Eleizungsanlage genutzt wird, so ist es möglich, um das
Wasser auf eine höhere Temperatur zu bekommen als es üblicherweise vom untertägigen
Verbraucher abgegeben wird, das Wasser in zusätzlichen tiefen Bohrungen oder gesondert
angelegten Strecken in entsprechender Teufe aufzuwärmen und es anschließend über
die Kammern A, B, C bzw. die Warmwasserleitung 16 zutage zu fördern.
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Ebenso kann, wie dies in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, die
untertägige Wasserhaltung in den Niederdruckkreislauf ND einbezogen werden. Für
eine solche zusätzliche Verwendung des Dreikammer-Rohraufgebergs ist ebenfalls ein
zusätzliches Wasserreservoir erforderlich, welches in der üblicherweise durchgefir-rten
untertägigen Wasserhaltung einem Pumpensumpf entsprechen könnte. Der Vorteil der
Förderung der Wasserhaltung über den Dreikammer-Rohraufgeber ist darin zu selben,
daß auch Schlamm ohne Schwierigkeiten gefördert werden kann, da für die Förderung
keine Hochdruokpvtpen erforderlich sind.
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Die bei einem unterbrochenen Kreislauf im Niederdruckbereich auftretenden
Wasserverluste, beispielsweise durch Versprühen von Wasser zur Staubbekämpfung und
Verdunstung, können durch Zusatz von Grubenwasser ersetzt werden, ohne daß ein zusätzlicher
.Energieaufwand für die Wasserförderung erforderlich ist.
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Bei Verwendung einer Wärmenutzungsanlage übertage ist es möglich,
den Hochdruckkreislauf HD als Wärmepumpe einzusetzen.
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Die Regelung der Flüssigkeitsmengen, wie sie bereits erwähnt durch
die Regel strecken erfolgt, ist ebenso über die Drehzahlregelung der Pumpen 28 bzw.
20 zu regeln.
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Nach dem in Fig. 2 dargestellten Schema der im direkten Wasser austausch
miteinander verbundenen Hochdruck- und Niederdruckkreisläufe ist es möglich, die
kontinuierliche Füllung und Entleerung der Kammern A, B und C in gleicher Richtung
vorzunehmen.
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Nach einem weiteren in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
einer Anlage zur Kühlung im Untertagebereich sind zwei Dreikammer-Rohraufgeber mit
den Kammern A1, B1, cl und A2, B2, C2 in Reihe hintereinander, geschaltet. In Abhängigkeit
von der erforderlichen Teufe beim untertägigen Verb'raucher bzw.
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in Abhängigkeit von dem Betriebsdruck ist es möglich, mehrere Dreikammer-Rohraufgeber
in Reihe zu schalten.
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In dem in Fig. 3 dargestellten AusführungsbeispieL ider der die Kammern
Al1 Bl1 C1 aufweisende Rohraufgeber im Gleichstromverfahren betrieben, während der
die Kammern A2, B2, C2 aufweisende Rohraufgeber im Gegenstromverfahren betrieben
wird.
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Um den geringstmöglichen Wärmeübergang an den Kammern A, B und C'hins.ichtlich
eines zu vermeidenden Verlustes in Kauf nehmen zu müssen ist es vorteilhaft, die
Kammer A, B und C als beliebig lange Rohre großen Durchmessers auszubilden, die
mit einer entsprechenden Isoiation zu versehen sind. Die Klammern können jedoch
auch andere zweckmäßig erscheinende Formen aufweisen. Die Förderung von Grubenwässern
kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch ausgedehnt werden auf die Mineralölförderung.
So kann beispielsweise im Wasser Salz gelöst werden und als Sole gefördert werden.
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Die-Voraussetzung für einen optimalen Wassertausch in den Kammern
A, B und C ist, vollständiges Füllen und Entleeren. Das wird erreicht, wenn die
Wassergeschwindigkeiten bzw. die Wassermengen in beiden KKeisläufen gleich sind.
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Wie bereits erwähnt lat für die erforderliche Kühlwassermenge das
Temperaturmeßgerät 24 bestimmend. Das Temperaturmeßgerät 24 regelt über die Regelstrecke
in dem Niederdruckkreislauf ND die gewünschten Mengen und gleicht die Menge des
Hochdruckkreislaufes HD über die Regelstrecke 29, 30 hieran an. Ein in der Niederdruckregelstrecke
eingebauter Integrator erfaßt die durchgelaufende Wassermenge und gibt Signal für
das Umschalten der Kammern.
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Das Förderspiel für alle Kammern A, B und C läuft nach dem in Fig.
5 gezeigten Schema ab. Als Ausgangspunkt ist die Kammer A anzusehen, die wie Fig.
1 andeutet, erwärmtes Wasser zutage fördert und gleichzeitig mit Kaltwasser über
die Kaltwasserleitung 17 unter Hochdruck gefüllt wird. Die Sperrorgane 1, 3 und
3a sinsS geöffnet, während die Sperrorgane 2, 4 und 4a geschlossen sind.
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Gleichzeitig wird die Kammer B unter Miederdruck mit Warmwasser über
die Warmwasserlitung 19 gefüllt und gibt Kaltwasser an den zu kühlenden Verbraucher
über die Leitung 21 ab. Dabei sind die Sperrorgane 6, 8 und 8a geöffnet und die
Sperrorgane 5, 7 und 7a geschlossen. In der gleichen Zeit ist die Kammer C mit entspanntem
Kaltwasser gefüllt. Dabei ist das Sperrorgan 12a geöffnet, -während die Sperrorgane
9, 10, 11, lla und 12 geschlossen sind.
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Unter dieser Voraussetzung läuft das vollständige Förderspiel für
die Kammern A, B und C in den nachfolgenden Schritten, die sich periodisch wiederholen
ab.
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1. Schritt Über einen Integrator werden die Sperrorgane 10 und 12
geöffnet.
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2. Schritt Die Endschalter der Sperrorgane 10 und 12 schließen die
Sperrorgane 6, 8 und 8a. Damit setzt das Füllen mit Warmwasser und entleeren mit
Kaltwasser für die Kammer C ein. Dieser Vorgang endet gleichzeitiy in der Kammer
B.
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3. Schritt Die geschlossenen Endschalter der Sperrorgane 6', 8, 8a
öffnen das Sperrorgan 7a.
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4. Schritt Die Kammer B wird unter Hochdruck gesetzt. Das Kontaktmanometer
14 zeigt Hochdruck an.
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5. Schritt Das Kontak.manometer 14 öffnet die Sperrorqane 5 und 7.
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6. Schritt Die Endschalter der Sperrorgane 5 und 7 schließen die Sperrorgane
1, 3 und 3a. Damit fördert die Kammer B Warmwasser zutage und wird unter Hochdruck
mit Kaltwasser gefüllt. Die Warmwasserförderung der Kammer A ist beendet. Die kammer
A ist jetzt mit Kaltwasser gefüllt.
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7. Schritt- Die Endschalter der Sperrorgane 1, 3 und 3a öffnen den
Schieber 4a.
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8. Schritt Über das Sperrorgan 4a wird der Hochdruck in der Kammer
A abgebaut. Der Endschalter des Sperrorgans 4a startet einen Integrator, der aus
den Wassermengen der beiden Kreisläufe den erforderlichen Zeitpunkt der nächsten
Umschaltung ermittelt.'Das Kontaktmanometer 13 zeigt Niederdruck an.
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9. Schritt Über einen Integrator werden die Sperrorgane 2 und 4 geöffnet.
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10. Schritt Die Endschalter der Sperrorgane 2 und 4 schließen die
Sperrorgane 10, 12 und 12a. Damit setzt das Füllen mit Warmwasser und das Entleeren
mit Kaltwasser für die Kammer A ein. Dieser Vorgang endet gleichzeitig in der Kammer
C.
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11. Schritt Die geschlossenen Endschalter der Sperrorgane 10, 12,
12a öffnen das Sperrorgan lla.
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12. Schritt Die Kammer C wird unter Hochdruck gesetzt. Das Kontaktmanometer
15 zeigt Hochdruck an.
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13. Schritt Das Kontaktmanometer 15 öffnet die Sperrorgane 9 und 11.
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14. Schritt Die Endschalter der Sperrorgane 9 und 11 schließen die
Sperrorgane 5, 7 und 7a. Damit fördert die Kammer C Warmwasser zutage und wird unter
Hochdruck mit Kaltwas ser gefüllt. Die Warmwasserförderung aus der Kammer B ist
beendet. Die Kammer B ist jetzt mit Kaltwasser gefüllt.
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15. Schritt Die Endschalter der Sperrorgane 5, 7 und 7a öffnen das
Sperrorgan 8a.
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16. Schritt Über das Sperrorgan 8a wird der Hochdruck der Kammer E
abgebaut. Der Endschalter des Sperrorgans 8a startet einen Integrator der aus den
Wassermengen der beiden Kreisläufe den erforderlichen Zeitpunkt der nächsten Umschaltung
ermittelt. Das Kontaktmanometer 14 zeigt Niederdruck an.
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17. Schritt Über einen Integrator werden die Sperrorgane 6 und 8 geöffnet.
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18. Schritt Die Endschalter der Sperrorgane 6 und 8 schließen die
Sperrorgane 2, 4 und 4a. Damit setzt das Füllen mit Warmwasser und Entleeren mit
Kaltwasser der Kammer t3 ein. Dieser Vorgang endet jetzt für die Kammer A.
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19. Schritt Die geschlossenen Endschalter der Sperrorgane 2, 4 unc
4a öffnen das Sperrorgan 3a.
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20. Schritt Die Kammer A wird unter Hochdruck gesetzt. Das Kontakt
manometer 13 zeigt Hochdruck an.
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21. Schritt Das Kontaktmanometer 13 öffnet die Sperrorgane 1 und 3.
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22. Schritt Die End'schalter der Sperrorgane 1 und 3 schließen die
Sperrorgane 9, 11 und lla. Damit fördert die Kammer A Warmwasser zutage und wird
unter Hochdruck mit Kaltwaser gefüllt. Die Warmwasserförderung von Kammer C ist
beendet. Diese ist jetzt mit Kaltwasser gefüllt; 23.Schritt Die Endschalter der
Sperrorgane 9, 11 und lla öffnen das Sperrorgan 12a.
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24. Schritt Über das Sperrorgan 12a wird der Hochdruck der Kammer
C abgebaut. Der Endschalter des Sperrorgans startet einen Integrator, der aus den
Wassermengen beider Kreisläufe den erforderlichen Zeitpunkt der nächsten Umschaltung
ermittelt. Das Kontaktmanometer 15 zeigt Niederdruck an