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Druckmengentauscher in Kurzbauweise
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Druck- und Mengenaustausch
von vorzugsweise flüssigen Medien, insbesondere den HD-Kaltwasser und dem ND-Warmwasser
untertägiger Klimaanlagen, bestehend aus mehreren Rohrkammern, die den das Kalt-
und Warmwasser führenden Leitungen zugeordnet und über Ventile und ein schaltendes
Mehrwegeventil miteinander und mit den Leitungen zu verbinden sind, nach Patent
(Patentanmeldung P 31 08 936.4).
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Im untertägigen Bergbau werden zur Klimatisierung Klimaanlagen eingesetzt,
die in der Regel mehrere Kreisläufe und zwar einen Kaltwasser- und Warmwasserkreislauf
aufweisen. Eine Unterteilung in einen Hochdruck- und einen Niederdruckkreislauf
ist wegen der grossen Teufenunterschiede notwendig. Nachteilig dabei ist, dass der
durch den Wärmeübergang von einem auf den anderen Kreislauf entstehende
Temperatursprung
durch nachgeschaltete Kältemaschinen ausgeglichen wird, die eine erhebliche finanzielle
und auch betriebskostenmässige Belastung darstellen. Die bekannten Einrichtungen
sind energieaufwendig, teuer und wartungsintensiv. Zur Unterbringung der untertägigen
Hochdruckwärmetauscher, Kältemaschinen und zugehörige Einrichtungen sind Grubenräume
bis über 100 m Länge notwendig.
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Demgegenüber bietet der gemäss der Hauptanmeldung umgerüstete für
die Klimatisierung eingesetzte Rohrkammer-Aufgeber beziehungsweise Druckmengenaustauscher
eine Möglichkeit, die für den Umlauf des kalten bzw. warmen Wassers benötigten Energieaufwand
entscheidend zu senken. Bei diesen bekannten Druckmengentauscher wird allerdings
eine der Anzahl der verwendeten Rohrkammern entsprechende grosse Anzahl von Regelventilen
und Mehrwegeventilen benötigt, wobei die dafür eingesetzten Ventile aufgrund ihrer
Ausbildung erhebliche Schaltzeiten benötigt. Aufgrund der Schwerfälligkeit der Ventile
und auch dem Bemühen, mit möglichst wenig Druckverlust zu fahren, sind für derartige
Druckmengentauscher erhebliche Baulängen erforderlich. Baulängen von 200 m und mehr
sind dabei nicht unüblich. Die Grösse des Druckmengentauschers wird für die jeweilige
Austauschleistung durch die Schalt geschwindigkeit bestimmt, da das Wasser zwischen
zwei Umschaltungen in Austauschbehälter untergebracht werden muss. Bei den beengten
Raumverhältnissen unter Tage stellen somit derartige Druckmengentauscher immer noch
relativ hohe Investitionsbelastungen dar. Ausserdem
wird durch die
Vielzahl der Absperr- und Schaltorgane ein erheblicher Wartungsaufwand hervorgerufen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmengentauscher
mit verringerter und vereinfachter Zahl von Schaltelementen mit kurzen Schaltzeiten
und damit reduzierten Baumassen zu schaffen.
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Die Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst. dass die Rohrkammern
senkrecht stehend angeordnet und oben und untern durch ein alle Rohrkammern nacheinander
mit den Kaltwasser- und Warmwasserleitungen als Scheibensperrer ausgebildetes Mehrwegeventil
zu verbinden sind.
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Ein derartiger Druckmengentauscher kann bei dem Betrieb mit Kalt-
und Warmwasser in vorteilhafterweise die natürliche Dichtetrennung zwischen beiden
Medien ausnutzen. Es ist somit ein Schwimmtrennkörper in der Regel nicht notwendig.
Durch den Wegfall der Vielzahl von Absperrorganen und der Ausbildung als Scheibensperrer
kann in vorteilhafterweise die gesamte Anlage wesentlich verkleinert werden. Dies
ist insbesondere dann der Fall, wenn gemäss einer Ausbildung der Erfindung der Scheibensperrer
drehbar und über einen Antrieb steuerbar ist. Dabei können die dem oberen und dem
unteren Ende der Rohrkammer zugeordneten Scheibensperrer vorteilhaft über einen
gemeinsamen Antrieb gesteuert werden. Ein derartiger Scheibensperrer bietet die
Möglichkeit, die Funktion mehrerer Schaltorgane in einem zusammenzufassen. Dabei
bedient der Scheibensperrer alle zu- bzw.
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abführenden Leitungen, was auch zu einem wesentlich verringerten Regel-
und Steueraufwand führt.
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Zweckmässig ist es, in der als Drehkörper wirkenden Sperrscheibe des
Scheibensperrers jeweils den Uffnungen zugeordnete keilförmige Voröffnungen vorzusehen.
Uber diese schlitzartigen Voröffnungen, die in einem bestimmten System entsprechend
der Arbeitsweise des Druckmengentauschers ausgebildet und angeordnet sind, erlauben
es, die Rohrkammern jeweils mit Druckwasser zu beaufschlagen bzw. zu entlasten,
ohne dass gesonderte Drosseln oder ähnliches notwendig sind. Der Druckaufbau bzw.
die Druckentlastung werden durch diese kleinen Kerben bzw.
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Voröffnungen ermöglicht.
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Kürzere Schaltzeiten, die allerdings mit einem gewissen Drückverlust
verbunden sind, werden gemäss einer Ausbildung der Erfindung dadurch erreicht, dass
die Offnungen im Scheibensperrer einen kleineren Querschnitt aufweisen als die Kalt-
und Warmwasserleitungen und die Rohrkammern. Die Schalthäufigkeit für die einzelnen
RohrkruRHlern wird damit viel grösser und die Länge der Rohrkammern kann wesentlich,
beispielsweise bis unter 5 m verringert werden. Damit Werden nicht nur die Investitionskasten
geringes sondern vor allem ist die Aufstellung derariger Aggregate ohne jede Probleme
an geeigneten Stellen möglich. Drosselverluste werden dabei weitgehend dadurch Vermieden,
dass die Kalt- und Warm wasserleitungen und die Rohrkammern äich in Richtung Scheibensperrer
konisch verjüngend ausgebildet sind.
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Baulänge und tragbare Druckverluste sind die wesentlichen die Abmessungen
des Druckmengentauschers bestimmenden Grössen. Erfindungsgemäss wird daher vorgesehen,
dass die Einstromquerschnitte, d. h. die oeffnungen der Scheibensperrer entsprechend
dem jeweils vertretbaren Druckabfall bemessen sind, beispielsweise im Verhältnis
1:3 Scheibensperrer:Leitungen.
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Die Fliessmengen in den Rohr kammern und in den Zuleitungen werden
erfindungsgemäss auf einfache Art und Weise dadurch geregelt und eingestellt, dass
eine oder mehrere Rohrkammern mit einem oberen und einem unteren, jeweils mit einem
in der Leitung angeordneten T hermost atventil gekoppelten Temperaturfühler ausgerüstet
sind, die wiederum vorzugsweise den Sekundärkreis über entsprechende Einrichtungen
(Drosselventil) drosseln bzw. öffnen. Dadurch ist eine Synchronschaltung bzw. Einstellung
der Fliessmengen (Sekundär- und Primärkreislauf) immer einzuhalten.
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In einer anderen Ausführung können die Baumasse des Druckmengentauschers
nach weiter reduziert werden, in dem anstelle der zwei synchron laufenden Scheibensperrer
und der dazugehörigen ruhenden Rohrkammern rotierende Kleinst-Rohrkammern benutzt
werden, die gleichzeitig die Funktion der beiden Drehscheiben übernehmen, so dass
keine Absperrorgane notwendig sind. Hierzu sind die Scheibensperrer mit den Kalt-
und Warmwasserleitungen verbunden und feststehend und die dazwischen angeordneten
Rohrkammern drehbar ausgebildet.
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Auch hier kann zur Erhöhung der Schalthäufigkeit und damit zur Verringerung
der Baulänge vorteilhaft sein, die Rohrkammern jeweils einen gegenüber den Kalt
und Warmwasserzuleitungen verringerter Querschnitt aufweisen und sie mit 5 bis 10
U/min umlaufen zu lassen. Eine so bemessene Vorrichtung zeichnet sich durch kleinste
Abmessungen und ganz geringe Investitionen aus. Sie kann in unmittelbarer Nähe des
Schachtes oder sonst wo innerhalb des Grubengebäudes angeordnet werden, ohne dass
dafür besondere Grubenräume geschaffen werden müssen.
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Der technische Fortschritt der Erfindung ist insbesondere darin zu
sehen, dass eine in den Baumassen weitgehend variierbare Vorrichtung geschaffen
ist, die zum Druckmengentausch insbesondere in Klimaanlagen eingesetzt werden kann.
Der erfindungsgemässe Druckmengent auscher führt nicht nur zu einer erheblichen
Reduzierung der Investitionskosten, sondern zeichnet sich durch eine wesentlich
erhöhte Wirtschaftlichkeit gegenüber den herkömmlichen Hochdruck-Wärmetauschern
bzw. Kältemaschinen aus. Durch seine in den Baumassen variierbaren Formgebung ist
der von gesonderten Grubenräumen unabhängig und kann daher auch vorteilhaft in anderen
Bereich, d. h. ausserhalb des Bergbaus eingesetzt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen weiter
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Druckmengen-Tauscher in Seitenansicht,
Fig. 2 den oberen Bereich eines Druckmengentauschers im Detail, Fig. 3 einen isolierten
Druckmengen-Tauscher im Schnitt, Fig. 4 ein schematisiert dargestelltes Thermostatventil,
Fig. 5 zwei parallel nebeneinander liegende Rohrkammern, Fig. 6 einen schematisiert
dargestellten Stellantrieb, Fig. 7 einen Druckmengen-Tauscher mit rotierenden Druckkammern
in Seitenansicht, teilweise geschnitten, Fig. 8 den Druckmengen-Tauscher gemäss
Fig. 7 im Schnitt, Fig. 9 einen Scheibensperrer im Schnitt, Fig. 10 einen Scheibensperrer
in Seitenansicht, Fig. 11 einen Mehrwegekükenhahn, Fig. 12 einen Kükenhahn gemäss
Fig. 11 im Schnitt,
Fig. 13 die Scheibe eines Scheibensperrers
im Schnitt, Fig. 14 den Scheibensperrer im Schnitt, Fig. 15 hydraulisch oder pneumatisch
betätigbarer Scheibensperrer und Fig. 16 ein Mehrwege-Kolbenventil für mehrere Rohrkammern,
Fig. 17 Mehrwege-Kurzhub-Scheibensperrer, Fig. 18 Kurzhub-Scheibensperrer im Querschnitt
und Schema der Anschlussverrohrung, und Fig. 19 Kurzhub-Scheibensperrer mit Hebel
und Elektro-Magnet.
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In Fig. 1 sind die Rohrkammern mit 1.1, 1.2, und 1.3 bezeichnet, wobei
im dargestellten Beispiel lediglich die Kammern 1.1 und 1.2 sichtbar sind. Fig.
3 erläutert dazu ein Ausführungsbeispiel mit vier Kammern 1.1, 1.2, 1.3 und 1.4,
wobei die einzelnen Kammern durch Wärmeisolierung zusätzlich geschützt sind.
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Das Hochdruckkaltwasser wird über die kalte Wasserzuleitung 2 den
Rohrkammern 1 zugeführt. Es verlässt die Rohrkammern als Niederdruck-Kaltwasser
über die Kaltw asser-Ablaufleitun g 4.
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Das warme Niederdruck-Wasser wird über die Warmwasser-Zuleitung heran
bzw. als Hochdruck-Warmwasser über die Warmwasser-
Ableitung in
Richtung über Tage geführt. Die einzelnen Kalt-und Warmwasserleitungen von 2 bis
5 sind gegeneinander und gegen die Rohrkammern durch das Mehrwege-Absperrorgan 6
bzw. 7 zu trennen bzw. miteinander zu verbinden. Diese Absperrorgane 6 und auch
7 sind wie noch später erläutert wird, als Scheibensperrer ausgebildet. Anstelle
des Scheibensperrers 7 können in den Kalt- bzw. Warmwasserleitungen Rückschlagklappen
8 angeordnet sein. Die einzelnen Verbindungen der Kaltwasser- und Warmwasserleitungen
2 bis 5 sowie der Rohrkammern 1 sind aufgeteilt und in Richtung Scheibensperrer
6, 7 verjüngend ausgebildet. Die Anschlussrohre sind somit als eine Art Hosenrohr
ausgebildet und mit den Bezugszeichen 9, 10, 11 versehen.
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Die Scheibensperrer 6, 7 werden gemeinsam über den Stellantrieb 12
bzw. den Stellantrieb und die Welle 13 betätigt. Bei Benutzung von Rückschlagklappen
8 wird lediglich der Scheibensperrer 6 betätigt.
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An mindestens einer der Rohrkammern 1 sind Thermostatfühler 14, 15
angebracht, die ein Thermostat 17 schalten, um zwischen den einzelnen Kreisläufen
der Kälteanlage synchrone Fliessmengen sicherzustellen. Fig. 4 zeigt das Thermostatventil
17 und die Füllimpulsleitung 18. Die Thermostatfühler 14, 15 sind auch in Fig.
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5 mit der zwischen den beiden Medien jeweils sich bildenden ein relativ
geringes Volumen aufweisenden Mischzone 19. Wird über die Thermostatfühler 14, 15
eine Abweichung der Fliessmengen
festgestellt, so wird ein Kreis,
vorzugsweise der Sekundärkreis, über das Thermostatventil 17 gedrosselt.
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Fig. 6 zeigt eine Sonderbauart bei der ein Exzenter 20 durch den Drehantrieb
betrieben und dabei die kreisförmig angeordneten Absperrorgane zwangsweise in der
richtigen Reihenfolge betätigt.
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Fig. 7 und 8 zeigt einen Zellenrad-Druckmengentauscher. Hierbei bilden
die Zulaufleitungen 2 bis 5 und die zugehörigen Absperrorgane 6, 7 den Stator 24,
während die Rohrkammern 1.1 bis 1.8 den Revolverrotor 25 darstellen. Die Fig. 7
und 8 verdeutlichen die Wirkungsweise, wobei durch die Zahl der Rohrkammern und
ihre Ausbildung die Taktzeiten und die Baulänge variiert werden kann. Mit 26 ist
der Trennkörper, der beide Medien trennen soll, bezeichnet. Ein solcher Druckmengen-Tauscher
hat kleinste Abmessungen und eine sehr geringe Verweildauer des kalten und warmen
Wassers in den einzelnen Rohrkammern.
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Das kalte Hochdruckwasser aus der Schachtleitung wird zu dem Stator
24 geführt, wo es mindestens in eine Austauscher-Kammer 1.1 des Revolverrotors 25,
21 strömt und den Trennkörper 26 nach links verdrängt, wobei einerseits kaltes HD-Wasser
rechts in die Austauscher-Kammer einfliesst und warmes Wasser links in die HD-Rücklaufleitung
5 verdrängt wird. Die Dichtungselemente 29 dichten den Rotor 25 druckfest gegen
die beiden Statoren 24 ab. Während des Drehvorganges gelangt das in die
Kammern
eingeflossene Kaltwasser in die untere Stellung 1.2.
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Hier wird mindestens eine Kammer über den linken Stator durch den
Niederdruckwarmwasser-Rücklauf 3 erfasst, der dem Schwimmkörper (Trennkörper) 26
nach rechts treibt und kaltes Wasser in den Niederdruckvorlauf 4 verdrängt. Da mindestens
jeweils eine Kammer in dem HD- bzw. ND-Bereich arbeitet, entsteht ein kontinuierlicher
Wasserstrom in beiden Kreisläufen.
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Die oeffnungen zu den Rohrkammern können in ihrer Nennweite kleiner
gewählt werden als die Leitungen (z.B. DN 100). Um Drosselverluste weitgehend zu
vermeiden, sind die Zuführungen (z.B. 250 - 100) konisch gehalten und erweitern
sich im Anschluss an die Rohrkammern (z.B. auf etwa DN 200). Das kalte (schwere)
Wasser dringt in die jeweilige Rohrkammer und verdrängt das in der Rohrkammer befindliche
Kaltwasser entsprechend der jeweiligen Durchflussleistung über das Hosenrohr 10
und die Rückschlag-Klappe 8 und das Verteilerrohr 5 in die Warmwasser-Hochdruck-Rücklaufleitung
des Schachtes.
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Die Stellantriebe der Scheibensperrer schalten in der obengenannten
Drehstrom charakteristik sowohl auf der Hoch- als auch auf der Niederdruckseite.
Dabei ist entsprechend auch auf der Niederdruckseite mindestens eines der an den
Niederdruck-Kaltwasser-Vorlauf 4 angeschlossenen Scheibensperrer geöffnet. Damit
kann aus dem Niederdruck-Rücklauf 3 warmes Wasser in die jeweilige Rohrkammer über
die Rückschlagklappe 8 einströmen und von oben über eine Mischzone das unterhalb
befindliche Kaltwasser verdrängen.
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Die Fühler 14, 15 und das Thermostat-Ventil 17 sorgen dafür, dass
so viel warmes Wasser einströmt, wie vorher kaltes Wasser eingedrungen war. Primär-
und Sekundärkreis sind damit unabhängig von der jeweiligen Strömungsmenge kompensiert.
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Bei einem Austauschvolumen von 0,5 m3 je Rohrkammer wird bei einem
Schaltzeitspiel von 10 Sekunden über drei Rohrkammern 216 m3/h Wasser ausgewechselt.
Hiermit können etwa 6 MW Kälteleistung übermittelt werden. Bei kleineren Volumenströmen
pendelt die Mischzone 19 weniger auf und ab. Anstelle der Scheibensperrer und Rückschlagklappen
können auch preisgünstigere Mehrwege-Absperrorgane gewählt werden.
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Die Gesamt grösse eines Druckmengen-Tauschers ist im wesentlichen
abhängig von der Schalthäufigkeit der Absperrorgane, d. h. von der Anzahl der Füllwechsel
in einer bestimmten Zeit.
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Wird ein maximaler Druckabfall zugelassen, dann kann er sehr klein
gebaut werden, da die kleineren Absperrorgane auch kleinere Schaltwege haben und
somit eine höhere Schalthäufigkeit gestatten. Wird der Tauscher aus der 250er-Schachtleitung
über 250er-Absperrorgane gesteuert, so ist der Druckabfall zwar verschwindend klein,
die Baulänge beträgt aber mindestens 50 m. Es entstehen darüber hinaus hohe Kosten
für die HD-Zuleitungen vom Schacht zu dem geeigneten Standort.
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Werden die Schaltorgane hingegen auf DN 125 reduziert, so entsteht
zwar ein Druckabfall am Schaltorgan von ca.0,2 bar.
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Dieser Druckabfall ist jedoch immer noch mehr als 10mal kleiner als
bei vergleichbaren Hochdruck-Wärmetauschern, die Baulänge kann dann derartig eingeschränkt
werden, dass die Austauscherrohre unmittelbar am Schacht senkrecht angeordnet werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass eine Innenisolierung und Trennkörpert
nicht erforderlich sind.
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Der Einströmquerschnitt der Schaltorgane kann bei einem Druckabfall
von 2 bar bis auf 75 mm reduziert werden.
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Die Fig. 17, 18 und 19 zeigen Einzelheiten eines Mehrwege-Kurzhub-Scheibensperrers
in Vorder- und Seitenansicht, wobei Fig. 18 die Anschlussverrohrung wiedergibt.
Die Hubsperrscheibe 27 hat auch hier Voröffnungen 23 und Offnungen 22. Mit 12 ist
der Stell-oder Hubantrieb bezeichnet. Nach Fig. 19 kann als Betätigungsvorrichtung
für den Kurzhubscheibensperrer ein Elektro-Magnet 12 mit Hebelsystem 28 dienen.
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Bei Fig. 7 sind die Verbindungsschrauben mit 30 und die notwendigen
Dichtelemente mit 29 bezeichnet.
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Ein Kurzhub kann bei einem Scheibensperrer 6, 7 je Kammer mit einem
Schlitz, bei einem Scheibensperrer für zwei Kammern 2stufig mit zwei Schlitzen und
z. B.
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für drei Kammern 3stufig mit drei Schlitzen durchgeführt werden.
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1 bzw.»1.1, 1.2, 1.3, 1.4 usw Mengenaustauscher-Rohre oder Rohrkammern
2 Hochdruck Kaltwasserzuführung (z. B. aus der 5 chachtleitung) - HD- Zulaufleitun
g 3 Niedeidruck-Warmwasserrücklauf (aus dem untertägigen Kältekreis) - ND-Ablaufleitung
4 Niedefdruck-Kaltwasservorlauf (in den untertägigen Kältekreis) - ND-Zulaufleitung
5 Hoch4ruck-Warmwasser-Rücklauf (z. B. in die S chacjhtleitung nach über Tage) -
ND-Ablaufleitung 6 Absperrorgan HD-Mehrwegeventil Rundscheiben-Mehrwege-Sperrer
HD-Mehrwegehahn mehrere miteinander kombinierte Scheiben- oder Keilsperrer oder
Kolbensperrer o. a. Sperrer zwangsweise angesteuerte Rückschlagklappen oder andere
bekannte Absperrorgane in entsprechender Schaltung 7 AbspeProrgan 8 Rückschlagklappe
9 Anschlussrohr, vorzugsweise als Hosenrohr mit Verjüngungen an der Klatseite des
DMT 10 Anschlussrohr 11 Anschlussrohr 12 Stellantrieb
13 Welle
14 Temperatur-Fühler 15 Temperatur-Fühler 16 Isolierung 17 Thermostatventil 18 Fühler-Impuls-Leitung
19 Mischzone 20 Exenter 21 Drehkörper 22 Offnung 23 Voröffnung 24 Stator 25 Revolver-Rotor
26 Trennkörper 27 Hubsperrscheibe 28 Hebel
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