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Verfahren zur Reduzierung umweltschädlicher Stoffe insbesondere des
Schwefeldioxidanteils im Rauchgas von Kraftwerken und anderen Großfeuerungsanlagen
sind bekannt. In der Bundesrepublik Deutschland wurden drei Verfahren zur Rauchgasentschwefelung
entwickelt ( Bischoff-Verfahren, Saarbergverfahren, Bergbau-Forschungs-Verfahren).
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Diese Verfahren sind nur für den großtechnischen Einsatz geeignet.
Bei den interessantesten Verfahren der Naßwäsche entsteht durch Anbindung des Schwefels
an Kalk Rückstandsgips ( Matthöfer, Umweltforschung, Umschauverlag ).
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Für mittlere Anlagen mit Kessel leistungen von So - 3000 kW, wurden
ebenfalls Vorrichtungen geschaffen.
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Diese Anlagen arbeiten nach Calciumcarbonat-Verfahren.
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Das Rauchgas wird hierbei durch eine Kammer geleitet, in der durch
Verdüsung ein Wassernebel erzeugt wird.
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Die feinen Wassertropfen übernehmen die Schadstoffe aus dem Rauchgas
und sammeln sich in einem Behälter in dem Calciumcarbonat zugeführt wird. Die Schadstoffe
verbinden sich mit dem Neutralisationsmittel und fallen als Calciumsulfat aus. In
diese Anlagen können auch Wärmetauscher integriert werden, die die Rauchgase abkühlen
und zur Kondensation des Wasserdampfes führen. Die dabei rückgewonnene Wärme kann
genutzt werden.
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Für kleinere Verbrennungsanlagen mit einer Heizleistung von lo bis
So kW wurden sogenannte Brennwertkessel und Niedertemperaturkessel entwickelt.
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Zwischen Brennkammer und Aussenhaut des Kessels befindet sich eine
Art Wärmetauscher, der die Rauchgase abkühlt, sodaß der Wasserdampf im Rauchgas
an der Tauscheroberfläche abkühlt und einen Teil der Schadstoffe dabei ausscheidet.
Für diese Brennwertkessel müssen statt den bisherigen günstigen Werkstoffen, korrosionsbeständige
hochwertige Sonderstähle eingesetzt werden, die die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen
in Frage stellen.
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Alle bekannten und geschilderten Anlagen sind für Verbrennungsanlagen
bis zu etwa looo kW unwirtschaftlich, da sie durch den Einsatz hochwertiger Werkstoffe
hohe Gestehungskosten haben. Durch die Notwendigkeit der
Konstruktion
sind elektrisch angetriebene Aggregate vorhanden, welche Antriebsenergie verbrauchen.
Es entstehen durch Rotationen Verschleißkosten. Ausserdem sind solche Anlagen aufwendigen
Wartungsarbeiten unterlegen.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Gerät zur Entgiftung von
Abgasen zu schaffen, welches für kleine und mittlere Verbrennungsanlagen mit einer
Heizleistung von lo bis looo KW einsetzbar ist und weitestmöglich alle Schadstoffe
aus dem Abgas ausscheidet. Dabei können alle herkömmlichen Verbrennungsanlagen,
gleich ob es alte, bestehende oder neuzuerrichtende sind, abgasgereinigt werden.
Die erfindungsgemäßen Geräte sind so bemessen, daß sie möglichst wenig Platz zur
Aufstellung benötigen.
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Sie haben kein hohes Gewicht und können dadurch über die bestehenden
Kesselanlagen montiert werden. Es werden keine angetriebenen Teile benötigt, sodaß
keine elektrische Energie verbraucht wird und Verschleißteile anfallen.
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Konstruktionsbedingt ist die Reinigung der Geräte. einfach und schnell
durchzuführen. Es fallen kaum Wartungsarbeiten an. Das Gerät ist leicht handhabbar
und in einfacher Weise kostengünstig herstellbar.
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Die durch die Wärmetauscherfläche rückgewonnene Wärme kann in das
vorhandene Wärmeversorgungssystem einfach integriert werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gerät zur
Entgiftung von Abgasen zwischen den Abgassammler der Verbrennungsanlage ( Heizkessel
) und dem Rauchgasschornstein eingebaut wird. Das Gerät besteht in der Hauptsache
aus vier Hauptbauteilen. Diese sind der Katalysator, der Abgaskondensator, die Wassersprühdosiervorrichtung
und der Neutralisator.
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Der Katalysator besteht aus einem hitzebeständigen Sonderstahl, z.B.
Werkstoff X 2 C r N i M o 18 lo, Nr. 1.4404 als Aussenfassung für einen Keramik-Wabenkörper.
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Die Wabenweite muß so bemessen sein, daß das Abgas widerstandslos
den Wabenkörper durchströmn kann. Der Keramik-Wabenkörper muß eine Porosität von
über 60 % haben, da er mit einer zähflüssigen Katalysatorsubstanz, z.B. Metallsalzlösungen
auf der Basis von Co,Fe,Cu,Pb,Pt,Pd und Rh als Einzel katalysator und/oder als Katalysatorgemisch
gut durchtränkt wird.
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Der Katalysator wird in den Abgassammler des Kessels soweit eingebracht,
daß die heißen Abgase mit einer Temperatur von über 300 0C eintreten können. Mit
der Katalysator-Aussenfassung wird er fest und dicht mit dem Kesselabgassammler
verbunden. Beim Durchströmen der heißen Abgase durch den Wabenkörper entsteht eine
katalytische Vollverbrennung. Die Schadstoffe werden bei diesem Vorgang aufoxidiert
( z.B. wird aus einem Kohlenmonoxid ein Kohlendioxid und so fort ) und binden sich
dadurch leichter an dem im Rauchgas befindlichen Wasserdampf. Die verbrauchte Katalysatorsubstanz
kann laufend über eine Tropfvorrichtung ergänzt werden. Der Verbrauch ist jedoch
ausserordentlich gering, es sind je Betriebsstunde wenige Gramm. Nach Katalysatordurchfluß
gelangen die noch ca. 200 0C heißen Rauchgase über eine kurze Verbindungsleitung
in den Abgaskondensator.
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Der Abgaskondensator besteht aus einem Blechgehäuse.
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In diesem Gehäuse befinden sich eine beliebige Anzahl an Wärmetauscher-Platinen.
Alle rauchgasführenden Teile des Abgaskondensators bestehen entweder aus wärmebestän
digen und korrosionsfestem Sonderstahl, z.B. Werkstoffnummer 1.4404 oder 1.4571
oder Stahlbleche die wärmebeständige und korrosionsfeste Beschichtungen, z.B. aus
Tetrafluoräthylen-perfluorpropylen-Copolymere ( FEP ) haben.
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Im letzteren Fall muß die Beschichtung auf dem Stahlblech fest verhaftet
sein. Das Gehäuse des Abgaskondensators und der Abstand zwischen der Gehäusewandung
und den nebeneinander gestaffelten Wärmetauscherplatinen, sowie der Abstand zwischen
den Platinen muß so groß sein, daß die durch strömenden Abgase keinen Überdruck
oder Druckabfall entwickeln. Am Boden des Kodensatorgehäuses
befindet
sich eine Auffangwanne, Diese Auffangwanne sammelt das von den Wärmetauscher-Platinen-Oberflächen
ablaufende und mit Schadstoffen behaftete Wasserkondensat.
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Die gesammelte Flüssigkeit wird über einen Abflußkanal in den Neutralisator
eingeleitet.
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Im oberen Teil des Abgaskondensators befindet sich ein Bypass. Über
eine Überdruckklappe kann im Störfall das Rauchgas im heißen Zustand in den Bypass
gelangen und wird von da direkt in den Rauchgasschornstein eingeleitet.
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Die Wärmetauscher-Platinen bestehen im einzelnen aus zwei übereinandergeschichteten
Stahlblechen. In eines der Bleche wird im Tiefziehverfahren an den Stirnseiten jeweils
ein Verteilerkanal von ca. 5 mm Tiefe eingedrückt.
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Danach werden die beiden aufeinandergelegten Bleche rundum Rollenband-verschweißt.
Anschließend werden die Platinen nach einer bestimmten Rasterung über die ganze
Fläche mit Preßschweißstellen ausgerüstet. Nach den Schweißvorgängen werden an den
Verteilerkanälen Rohranschlußstutzen angeschweißt. Anschließend wird die vorgeschweißte
Platine in eine Formpresse eingelegt und unter hohem Druck von etwa So bar aufgeblasen.
So kann dann im Gebrauch die Kühl-bzw. Wärmeträgerflüssigkeit mit sehr geringen
Widerstand (Durchflusswiderstand bei Durchlaufgeschwindigkeit von 100 l/h = 80 mm
Wassersäule ) die Wärmetauscherplatine durchströmen. Die Platinen haben eine Blechstärke
von ca. 1 mm. Der maximale Betriebsüberdruck beträgt 6 bar.
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Bis zu diesem Druck dürfen sich die Platinen weder verwinden noch
deformieren. Der Berstdruck liegt über 30 bar.
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Die Wärmetauscherplatinen haben eine Abmessung von beispielsweise
900 x 1300 mm. Das ergibt eine Abkühl- oder Wärmetauscherfläche von 2,34 m je Platine.
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Die Platinen werden je nach der später vorgeschriebenen Wärmespreizung
in Kaskade oder in Gruppen paralell geschaltet. Im Schnitt werden 4 bis 10 Platinen
je Kondensator montiert. Die Verbindung zwischen den Platinen und mit der Vor- und
Rücklaufleitung des Heißsystems erfolgt
mit flexiblen Sonderstahlschläuchen,
damit durch Ausdehnung oder Schrumpfung keine Schäden, insbesondere Leckagen auftreten
können. Die Platinen werden mit dem Gehäuse nicht starr verbunden, sondern in eine
Längsnuthalterung eingeschoben um Verspannungen durch thermische Einflüsse zu vermeiden.
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Der Rauchgaskondensator wird rundum mit glasfaserarmierten Hartschaum,
z.B. Polyurethan oder Polystyrol ( Raumgewicht So kg/m³ und darunter ) isoliert,
damit eine Wärmeabstrahlung in die Umgebung vermieden wird. Statt dem Hartschaum
kann auch eine Isolierung aus Steinwollplatten erfolgen.
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Der Kondensator hat eine Reinigungstüre die gasdicht abschließt und
über eine Spannvorrichtung verriegelt werden kann. So ist es leicht moglich den
Kondensator schnell und gründlich zu reinigen oder Platinen auszutauschen.
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Die Wassersprühdosiereinrichtung ist in den Abgassammler des Abgaskondensators
eingebaut. Sie besteht aus einem Sprührohr, in das Je nach Größe des Abgaskondensators
zwei oder mehr Suspensionsdüsen eingebaut werden.
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Vorzugsweise kommen Spiraldüsen zum Einsatz, da sie bei einem geringen
Düsenvordruck von etwa 1 bar ein feines Tropfenspektrum erbringen. Dies gewährleistet
feinste Verteilung der Wassertröpfchen. Die Wassersprühdosiereinrichtung besprüht
den Abgaszug zwischen den Sonder-Stahl- Wärmetauscher-Platinen um die noch im Abgas
verbliebenen Schadstoffreste zu übernehmen mit denen sie in die Auffangwanne des
Rauchgaskondensators gelangen.
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Die Wassersprühdosiervorrichtung wird über ein elektisches Steuergerät
so geregelt, daß sie nur dann in Funktion tritt, wenn die Verbrennungsanlage in
Betrieb ist z.B. beim Ein- und Ausschalten eines ölbrenners.
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Der Wasserverbrauch beträgt etwa 2 bis 4 Liter je Betriebsstunde.
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Der Neutralisator wird an den Abflußkanal des Abgaskondensators
angeschlossen.
Er besteht aus einem säurefesten Kunststoffgehäuse zum Beispiel Polyethylen.
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Vorzugsweise kann das Gehäuse ein Rohr sein. Die Rohrwandung beträgt
z.B. 4 mm. Das Rohr hat eine Länge von 1200 mm. Das Rohr hat einen festen Boden
und einen abnehmbaren Deckel. Im obersten Bereich der Wandung befindet sich der
Einlaufstutzen. Im untersten Bereich der Wandung etwa So mm über den Boden befindet
sich der Auslaufstutzen.
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Das Rohr wird fast bis zum oberen Rand mit dem Neutralisationsmittel
gefüllt. Als Neutralisationsmittel eignen sich z.B. Erdalkalienverbindungen wie
Weißmarmorbruch, Magnodol und Hydrollt. Die Wasserkondensate mit den angelagerten
Schadstoffen werden über den Einlaufstutzen in das Rohr eingebracht, durchrieseln
das Neutralisationsmittel bis zum Boden. Die Schadstoffe werden dabei absorbiert
und neutralisiert. Das gereinigte Wasser wird dann über den Ablaufstutzen in den
Abwasserkanal eingeleitet.
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Der pH-Wert liegt über 6,5. Von Zeit zu Zeit wird das verbrauchte
Neutralisationsmittel durch Nachschüttung ergänzt. Etwa 100 mm oberhalb des Rohrbodens
befindet sich in der Rohrwandung eine öffnung, die Lufteintritt ermöglicht. Durch
die Kaminwirkung im Rohr wird die Vorrichtung mit Sauerstoff versorgt, womit eine
schnellere Neutralisation des Sauren Wassers erfolgt.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen
beschrieben. Es zeigt Zeichnung 1 einen Querschnitt des Gerätes und einen Aufriß
des Kondensators, Zeichnung 2 eine Draufsicht und einen Querschnitt der Wärmetauscherplatine,
Zeichnung 3 zwei schematische Darstellungen der Platinenschaltungen
Zeichnung
4 Schaltschema als Beispiel zur Anbindung in einen vorhandenen Heizkreis, -Zeichnung
5 Schaltschema als Beispiel zur Anbindung an eine Warmwasserversorgung Gemäß Zeichnung
1 werden die durch die Verbrennung des Heizmittels mit dem Brenner 1 im Kessel 2
entstehenden Rauchgase im Abgassammler gesammelt und durchströmen den dort eingebauten
Katalysator 3. Im Katalysator werden die Schadstoffe bei Temperaturen über 3000
C aufoxidiert.
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Über ein Verbindungsstück 15 treten nun die auf etwa 200°C heruntergekühlten
Abgase in den Abgaskondensator 4.
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Die Gase strömen zwangsläufig durch den Abgasdurchlaufkanal und kühlen
sich an der Oberfläche der Wärmetauscher-Platinen 5 nach und nach ab. Am Abgaskondensator-Ausgang
16 haben sich dadurch die Abgase auf etwa 400C abgekühlt.
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Die Abmessungen des Rauchgaskondensators und die Wärmetauscherfläche
errechnen sich aus der Abgastemperatur, der Abgasmenge, der Abgasgeschwindigkeit,
der Kesselleistung, sowie der notwendigen Verweilzeit im Abgaskondensator und ist
ausserdem abhängig von der Vor- und Rücklauftemperatur des Kühlmittels bzw. des
Wärmeträgers in den Wärmetauscherplatinen. Dabei ist die entstehende Wärmerückgewinnung
abhängig von den Betriebszeiten der Verbrennungsanlage.
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Durch die Abkühlung der Abgase kondensiert der im Abgas befindliche
Wasserdampf an der Oberfläche der Wärmetauscherplatinen und läuft mit den angelagerten
Schadstoffen zum Boden des Abgaskondensators hin ab.
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Hier sammeln sich die schadstoffhaltigen Kondensate in der Auffangwanne
17 und fliessen über den -Abflusskanal in den Neutralisator 8.
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Zur Unterstützung der Abgasreinigung wird über die
Wassersprühdosiereinrichtung
14 in feinster Verteilung Wasser in die Abgase eingesprüht.
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Am Abgasausgang 16 des Abgaskondensators werden die gereinigten und
abgekühlten Abgase in den Abgasschornstein 11 eingeleitet. Die Uberdruck-Klappe
1o öffnet sich dann, wenn aus irgend einen Grund der Abgasdurchlauf durch den Abgaskondensator
blockiert wird. Die Abgase können dann direkt im heißen Zustand in den Rauchgasschornstein
entweichen. Das öffnen und Schließen der Uberdruckklappe besorgt eine justierte
Spannfedervorrichtung. Die Reinigungstür 12 wird im Bedarfsfall manuell bedient.
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Der Rauchgaskondensator kann mit vertikal oder mit horizontal montierten
Wärmetauscher-Platinen betrieben werden. Im letzteren Fall sind die Platinen mit
einem Neigungswlnkel von ca. 5 % einzulegen, damit das Kondensat nach unten ablaufen
kann.
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Gemäß Zeichnung 2 hat die Wärmetauscher-Platine an den Stirnseiten
jeweils einen Verteilerkanal 1 und einen Anschlußstutzen 2. So lange die Verbrennungsanlage.in
Betrieb ist wird die Wärmetauscher-Platine von dem Wärmeträger über die gesamte
Fläche der Platine gleichmäßig verteilt durchflossen. Damit ist gewährleistet, daß
die aus dem Abgas zugeführte Wärme über die Platinenoberfläche absorbiert wird.
Der die Platine durchströmende Wärmeträger führt die Wärme kontinuierlich ab. Der
mit der Wärme aufgeladene Wärmeträger gibt die Wärmeenergie über die Vorlaufleitung
an den Wärmeverbraucher ab. Der abgekühlte Wärmeträger wird mittels einer Umlaufpumpe
über die Rücklaufleitung den Platinen wieder zugeführt.
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Gemäß Zeichnung 3 werden die einzelnen Wärmetauscher-Platinen in Kaskade
(hintereinander) oder in Gruppen paralell geschaltet. Die Wahl der Schaltungsart
ist abhängig von der erforderlichen Wärmespreizung für die Wärmeabführung und für
die Wärmerückgewinnung. Als
Warmetrager wird Wasser verwendet.
Gegebenenfalls kann dem Wasser ein Inhibitor als Korrosionsschutzmittel beigemischt
werden. Wenn die Anlage einer Frostgefahr ausgesetzt ist, kann dem Wasser ein Frostschutzmittel,
z.B. Glykol zugesetzt werden.
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Zeichnung 4 zeigt ein Schema zur Anbindung in einen Heizkreis. Ein
Zweipunktregler fühlt die Temperatur ty, die im Wärmetauscher entsteht und vergleicht
diese mit der vom Heizungsnetz kommenden Temperatur tR. Wenn die Temperatur tV größer
als die fest eingestellte Temperaturdifferenz tD zum Wert tR ist, schaltet der Regler
das Umschaltventil auf Durchgang. Somit wird das kältere Rücklaufwasser durch die
Wärmetauscher-Platinen geführt und aufgeheizt. Fällt die Temperatur in den Wärmetauscher-Platinen
( z.B. bei Brennerabschaltung ), so wird das Ventil auf Bypass geschaltet, sobald
tv kleiner und/ oder gleich tRist.
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Gemäß Zeichnung 5 wird als Beispiel die Anbindung an eine Warmwasserversorgung
aufgezeigt. Ein Zweipunktregler vergleicht die Temperatur tBWBmit der in den Wärmetauscher-Platinen
herrschenden Temperatur tV. Wenn tv größer als tBwBist, also die Heizquelle betrieben
wird, schaltet die Umwälzpumpe ein. Aus Sicherheitsgründen muß die Zuleitung zur
Umwälzpumpe über ein Sicherheitsthermostat STB geschaltet werden, um ein überhitzen
des Brauchwassers zu vermeiden.
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Fällt die Temperatur ty unter tBwBab, so wird die Pumpe ausgeschaltet.
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Die Erfindung des Gerätes zur Entgiftung von Abgasen aus Verbrennungsanlagen
bei gleichzeitiger Wärmerückgewinnung ist sowohl betriebswirtschaftlich günstig
als auch volkswirtschaftlich wichtig.
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Die betriebswirtschaftlichen Vorteile sind Niedrige Anschaffungskosten
entsprechend den günstigen Gestehungskosten.
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Niedrige Betriebskosten da weder Fremdenergie z.B.
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für Antriebsmotoren gebraucht wird und die
Wartungskosten
infolge der Konstruktion des Gerätes klein sind.
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Es wird kein zusätzlicher Raum benötigt.
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Die rückgewinnbare Wärme ist wegen der günstigen Wärmeübertragung
und der entsprechenden K-Werte des eingesetzten Tauscher-Werkstoffes mengenmäßig
hoch.
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Im Zeitalter der Energieknappheit und der hohen Energiekosten ist
die Energieeinsparung über die Wärmerückgewinnung ein volkswirtschaftlich ausserordentlich
wichtiger Faktor.
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In erster Linie aber ist die Erfindung ein Gerät zur Entgiftung der
Abgase, die in die Umwelt gelangen und dient damit der Reinerhaltung der Luft.
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Bei größeren Verbrennungsanlagen können die Geräte zur Entgiftung
von Abgasen auch in größerer Anzahl paralell oder hintereinander aufgestellt werden.
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