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Verfahren zur Wärmemengenzählung Es ist bekannt, die Heizleistungen
von Zentralheizungen dadurch zu bestimmen, daß man an den Heizkörper ein Gefäß mit
einer Flüssigkeit anbringt, die nach Maßgabe einer durch die Heizung auftretenden
Temperaturdifferenz verdampft. Hierbei erfolgt die Messung dadurch, daß die verdampfte
Flüssigkeit wieder kondensiert und die Menge des Kondensats bestimmt wird. Gelegentlich
ist auch die Volumenabnahme des verdampfenden Stoffes direkt gemessen worden.
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Das eben geschilderte Verfahren zur Wärmemengenzählung ist nun aber
mit derartig schwerwiegenden Mängeln behaftet, daß eine einwandfreie Zählung der
von einem Heizkörper abgegebenen Wärmemenge in dieser Weise nicht möglich zu sein
scheint.
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Däe Nachteile sind in dem Vorgange des Meßverfahrens selbst zu suchen
und letzten Endes dadurch bedingt, daß zwischen den verschiedenen Temperaturen und
den sich danach einstellenden Dampfdrucken keine proportionale Beziehung besteht.
Dem hier in Rede stehenden Verdampfungsvorgang liegt vielmehr ein physikalisches
Gesetz zugrunde (Clausius-Clapeyronsche Gleichung), das in erster Annäherung zu
einer logarithmischen Beziehung zwischen Temperatur und Dampfdruck führt, wodurch
eine Abhängigkeit des Zählergebnisses von der jeweiligen. Temperaturlage, bei der
die Zählung erfolgt, bedingt ist. Es verhalten sich z. B. die Dampfdruckdifferenzen
des Wassers infolge der oben geschilderten Zusammenhänge bei 20 und SoO C zu denen
bei 20 und 300 C wie 24 : 1 und nicht wie 6 : I, wie es sich bei Vorhandensein einer
geradlinigen Beziehung zwischen Dampfdruck und Temperatur ergeben müßte, so daß
je nach der Temperaturlage des Heizkörpers die auf die Einheit der Temperaturdifferenz
bezogene verdampfte Flüssigkeitsmenge verschieden groß ist. Nach dem Theorem der
iibereinstimmenden Zustände verhalten sich alle Flüssigkeiten bei normalem Druck
ähnlich dem Wasser. Zwar hat man versucht, bei Verdampfungsmessern durch Verminderung
der wirkenden Temperaturdifferenz des verdampfenden und kondensierenden Stoffes
durch derartige Anbringung des Gerätes am Heizkörper, daß es infolge schlecllterWärmeleitfähigkeit
zum Heizkörper praktisch nur die Zimmertemperatur annimmt, ein Konstanz der Zählempfindlichkeit
unabhängig von Heizkörpertemperaturschwankungen zu erzielen.
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Dieses Verfahren vergrößert aber den an sich schon schweren Nachteil
der Verdampfungszähler, daß eine den Wärmeübergang vergrößernde aufgezwungene Konvdtion
eine Verminderung der Zähleranzeige an Stelle einer Vergrößerung zur Folge hat.
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Neben diesem Sachverhalt verdient aber noch ein zweiter, zahlenmäßig
allerdings weniger b edeutungsvoller Umstand Beachtung. Die infolge des Temperaturgefälles
ithergeführten Stoffmengen werden nämlich außer von den das Zählergebnis bestimmenden
unabhängigen Meßvariablen, den Dampfdrucken und der Zeit, noch durch eine sog.
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Diffusionskonstante beeinflußt. Nun ist aber diese Größe für die in
Frage kommenden
Temperaturbereiche durchaus nicht konstant, sondern
erheblich temperaturabhängig. Die Diffusionskonstante eines Stoffes steht bekanntlich
in naher Beziehung zur inneren Reibung, insbesondere was ihre Temperaturabhängigkeit
betrifft. Dieser Umstand bringt neben dem ersten bereits behandelten Zusammenhang
eine in gleicher Richtung wirkende weitere fehlerhafte Beeinträchtigung der auf
einer Stoffübertragung beruhenden Wärmemengenzählung mit sich, die bisher noch nicht
beseitigt worden ist.
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Beiden angeführten Mängeln gegenüber schafft die Erfindung Abhilfe.
Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Wärmemengenzählung aus, bei dem unter
Ausnutzung eines Temperaturgefälles ein Stofftransport innerhalb eines geschlossenen
Gefäßes stattfindet.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch geliennzeichnet, daß
eine mindestens annähernd proportionale Beziehung zwischen der den Stofftransport
verursachendenWärmemenge und der beförderten Stoffmenge geschaften wird, indem dem
temperaturabhängingen steigenden Dampfdruck bzw. der steigenden Löslichkeit bei
Erzeugung des Stofftransportes zunehmende \Viderstände entgegengestellt werden.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den
Ansprüchen 2 bis I6 angegebenen Maßnahmen, deren Zweck und Wirkungsweise im folgenden
näher erläutert ist. Hierbei sind zur Klarstellung der Wirkungsweise noch weitere
Einzelheiten vermerkt, die jedoch nicht zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung
gehören.
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Der Stofftransport des festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffes
kann so vor sich gehen, daß ein flüssiges Sperrmittel vorhanden ist, in dem der
feste, flüssige oder gasförmige Stoff sich löst und durch da er hindurch diffundiert,
worauf er wieder ausgeschieden wird. Die Herstellung einer proportionalen Beziehung
zwischen der den Stofftransport verursachenden Wärmemenge und der beförderten Stoffmenge
erfolgt dann dadurch, daß ein solches Sperrmittel verwendet wird, dessen Diffusionskonstante
eine derartige Abhängigkeit von der Temperatur aufweist, daß die übergeführten Stoffmengen
zumindest nahezu unabhängig von der Höhe der jeweiligen Temperatur sind. Silan wählt
als überführbaren Stoff zweckmäßig einen solchen, der in einer bestimmtenn zunächst
jedoch noch beliebigen Sperrflüssigkeit mit steigender Temperatur in proportionalen
Mengen gelöst wird.
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Besonders einwandfreie Zählergebnisse erzielt man bei Verwendung einer
Flüssigkeit als überführbaren Stoff dann, wenn diese überführbar Flüssigkeit eine
mit der Temperatur möglichst stark veränderliche Löslichkeit in der Sperrflüssigkeit
besitzt, hingegen die Sperrfiüssigkeit sich möglichst unabhängig von der Temperatur
und möglichst wenig in der überführbaren Flüssigkeit löst.
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Den im vorstehenden behandelten günstigsten Bedingungen für einwandfreie
Zählergeb-:lfisse kommen nun bei Verwendung von Wasser als überführbarer Stoff und
von organischen Flüssigkeiten als Sperrmittel beispielsweise die Systeme Äthylazetatwasser
und ganz besonders Isoamylalkoholwasser sehr nahe.
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Zur deutlichen Unterscheidung der Sperrflüssigkeit von der überführbaren
Flüssigkeit wird zweckmäßig mindestens eine von ihnen gefärbt. Falls beide Phascn,
d. h. auch das Kondensat, gefärbt werden sollen, kann man nur Farbstoffe wählen,
die in den beiden Phasen verschiedene Farbe aufweisen. Hierfür lassen sich bei dem
.System Isoamylalkohol wasser alle Indikatoren verwenden, die einen deutlichen Farbumschlag
zwischen den pll-Werten 3 und 7 aufweisen. So nimmt z. B.
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Methylorange in der stark wäßrigen Phase bei der Verwendung von neutralem
Wasser eine Orangefärbung an, in der hauptsächlich Alkohol enthaltenden Phase hingegen
eine zitronengelbe Farbe.
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Es ist grundsätzlich möglich, den Stoff in Richtung tieferer als
auch höherer Temperaturen diffundieren zu lassen, letzteres allerdings nur bei nichtgasförmigem
Sperrmittel als Diffusionswiderstand. In dem Fall eines Stofftransportes in Richtung
höherer Temperatur ist die physikalische Voraussetzung für das Eintreten dieses
Vorganges eine zunehmende Löslichkeit des zu überführenden Stoffes mit sinkenden
Temperaturen.
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Ein derartiges brauchbares Stoffpaar ist W asseräth! läther, wobei
Wasser als Sperrmittel dient.
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Auch ein Sperrgas kann zur Anwendung gelangen, wobei die Erhöhung
der Sperrwirkung mit steigender Temperatur dadurch bedingt ist, daß das Sperrgas
unter hohem Druck gehalten wird. Dieser letzte Weg führt besonders leicht zum Ziel,
wenn der Raum des Sperrgases im Verhältnis zu dem von dem überführbaren Stoff eingenommenen
Raum so klein ist, daß durch die Wärmeausdehnung des überführbaren Stoffes das Sperrgas
stark zusammengepreßt wird. Diese Maßnahme trägt bei Verwendung von gasförmigen
Sperrmitteln entweder mit den bisher genannten und hierfür anwendharen Vorkehrungen
oder auch selbständig zur Erreichung des mehrfach genannten Zieles bei. Das gleiche
läßt sich durch die Anwendung eines mit steigender Temperatur dissoziierenden Sperrgases
erreichen. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, daß der Diffusionswiderstand
mit
steigender Molekülzahl proportional anwächst.
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Zum Zwecke einer gesteigerten Druckerhöhung für ein gasförmiges oder
flüssiges Sperrmittel mit wachsender Temperatur kann auch ein weiterer nicht überführbarer
Stoff mit größerem VVärmeausdehnungskoeffizienten, als ihn das Wandmaterial. des
Destillationsgefäßes aufweist, in diesem Gefäß vorgesehen sein.
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Schließlich erhält man die gewünschte Beziehung zwischen der transportierten
Stoffmenge und der 1,3. Potenz der Heizkörpertemperatur, auf die weiter unten eingegangen
wird, dadurch, daß als zu befördernder Stoff eine Flüssigkeit nahe ihrem kritischen
Druck angewendet wird. Es zeigt sich nämlich, daß in diesem Gebiete der Dampfdruckkurve
die relative Steigerung des Dampfdruckes wesentlich weniger steil ist als bei geringen
Drucken bzw. Temperaturen und daß man bei einigen Stoffen der gewünschten Beziehung
v = T1rS sehr nahekommt, insbesondere wenn dem Gasraum als Sperrmittel ein weiteres
Gas zugemischt wird. Diese Zumischung ist schon deshalb vorteilhaft, um die Verdampfungsgeschwindigkeit
der zu überführenden Stoffe den praktischen Forderungen anzupassen.
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Eine wenigstens annähernd lineare Beziehung zwischen Wärmemenge und
Zählergebnis kann auch durch Anordnung mechanisch wirkender Mittel herbeigeführt
werden. Derartige der Diffusion entgegenstehende. Widerstände können insbesondere
durch Bimetalldrosseln dargestellt sein.
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Es ist zwar schon bekannt, bei an dem Heizkörper anzubringenden Verdampfungswärmezählern
einen sich bei steigender Temperatur ausdehnenden Stab anzuwenden, der im Falle
der Beheizung ein Ventil öffnet, das beim Erkalten des Heizkörpers schließt, wodurch
dann die Verdampfung der Meßflüssigkeit verhindert wird. Die Abhängigkeit der Zählgeschwindigkeit
von der Heizkörpertemperatur wird durch diese Einrichtung jedoch nicht im Sinne
des Erfindungsgegenstandes verbessert. Im Gegenteil werden die durch die Dampfdruckkurve
bedingten Fehler zu hoher Empfindlichkeit bei hohen Temperaturen noch vergrößert.
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Die richtige Beeinflussung der Zählgeschwindigkeit in Abhängigkeit
von der Temperatur kann auch durch gemeinsame Anwendung mechanischer Mittel, wie
Bimetalldrosseln, in Verbindung mit der Auswahl der geeigneten, als Sperrmittel
wirkenden Stoffe geschehen.
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Eine Vorrichtung zur Ausführung des im vorhergehenden geschilderten
Verfahrens wird zweckmäßig wie bei bekannten Verdunstungswärmemengenmessern so ausgebildet,
daß ein an einem Heiz- oder Kühlkörper angebrachtes Gefäß den überführbaren Stoff
und den übergeführten Stoff in gesonderten Raumteilen enthält. Dazu kommt dann in
einem dritten Raumteil das temperaturabhängige Sperrmittel.
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Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung
nach der Erfindung, und zwar stellt Fig. 1 ein Zählgefäß mit einer Bimetalldrossel,
Fig. 2 ein anderes Zählgefäß mit einer Flüssigkeit als Sperrmittel während des Meßvorganges
dar.
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Fig. 3 gibt das Zählgefäß nach Fig. 2 in der gekippten Lage und Fig.
4 das gleiche Zählgefäß in dem zählbereiten Anfangszustand wieder.
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Die Zählgefäße zeigen äußerlich einen ähnlichen Aufbau wie die, die
von Einrichtungen zur Durchführung der bekannten Verfahren zur Wärmemengenmessung
auf der Grundlage der Verdampfung eines Stoffes her bekannt sind, und die ein Verdampfungsgefäß
aufweisen, das über eine Rohrleitung mit einem Kondensationsgefäß verbunden ist.
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Gemäß Fig. 1 ist an dem Gefäß für den zu überführenden Stoff, kurz
Vorratsgefäß I genannt, das eine Flüssigkeit 2 enthält, ein langgestreckter Behälter
3 angeschlossen, dessen dem Verdampfungsgefäß abgekehrtes Ende 4 mit einer Skala
5 zur Ablesung der kondensierten Dampfmenge versehen ist.
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Innerhalb des langgestreckten Gefäßes 3 und dem Vorratsgefäß 1 benachbart
ist an der Stelle 6 die Bimetalldrossel 7 mit ihrem in der Ebene eines Querschnittes
des langgestreckten Gefäßes liegenden tellerförmig ausgebildeten Ende 8 als temperaturabhängige
Drossel befestigt.
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Nach den Fig. 2 bis 4 ist das Vorratsgefäß I um eine am Heizkörper
g angebrachte Achse 10 in bekannter Weise kippbar angeordhet. In dieses Gefäß 1
hinein ragt das offene Ende In eines langgestreckten Gefäßes 3. Dieses langgestreckte
Gefäß, im folgenden kurz Zählrohr 3 genannt, hat gegenüber dem Vorratsgefäß I einen
möglichst geringen Querschnitt, damit der Weg, den der zu überführende Stoff bis
zu seiner Abscheidung am Ende 4 des Zählrohres zurückzulegen hat, von dem Füllungszustand
des Zählrohres 3 möglichst unabhängig ist. In dem Vorratsgefäß I bzw. auch in dem
Endteil 4 des Zählrohres 3 ist der überführbare Stoff 12 bzw. I2' enthalten, über
den das Sperrmittel 13 geschichtet ist. Aus später zu erörternden Gründen befindet
sich in dem Zählgefäß noch ein Gas 14. Der Endteil des Zählrohres 3 ist mit einer
Skala 5 verbunden.
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Die bisher zumeist benutzte Art der Zählung
von
Wärnieniengen mittels an den Heizkörpern angebrachten Geräten, in denen ein Stofftransport
durchgeführt wird, führt nur unter der Voraussetzung zu richtigen Ergebnissen, daß
ein konstanter Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Heizkörperoberfläche und dem
zu beheizenden, beispielsweise mit Luft gefüllten Raum vorhanden ist: denn es wird
bei vielen bekannten Geräten der Stoff entweder in den zu beheizenden Raum hineindiffundiert
oder in ein Gefäß, das die Raumtemperatur möglichst weitgehend annimmt. Der Wärmeübergangskoeffizient
ist aber in starkem Maße von äußeren Redingungen abhängig. Dieser Umstand ist bei
der Zählung der Wärmemengen nach dem geschilderten bekannten Verfahren ebenfalls
häufig die Ursache gewesen, daß die Wärmemengen falsch gemessen wurden. Man nahm
nämlich irrtümlicherweise an, daß die Wärmemenge die der Heizkörper abgibt. dann
richtig wiedergegeben würde, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Heizkörperoberfläche
und Raumluft integriert wurde. Es ist aber bekannt, daß die abgegebene Wärmemenge
ungefähr der 1,3. Potenz der Temperaturdifferenz zwischen Heizkörperoberfläche und
Raumluft proportional ist, sofern keine erzwungene Konvektionsströmung an dem Heizkörper
herrscht.
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Um trotz dieses Obelstandes richtige Meßergebnisse zu erhalten, kann
man sich nun der im vorhergehenden Teil dargelegten Mittel zur Beeinflussung der
Temperaturabhängigkeit des Stofftransportes bedienen und diesen so leiten, daß die
abgeschiedenen Stoffmengen der den jeweils vorliegenden Bedingungen entsprechenden
Potenz gewöhnlich, d. Ii. bei normalen Heizkörpern der 1,3. Potenz, der Temperaturdifferenz
proportional sind. In diesem Fall gibt man dem Gefäß derartige Dimensionen, daß
der Kondensationsbehälter die Temperatur der umgebenden Luft annimmt, Andererseits
kann man die Schwierigkeit, daß der Wärmeübergangskoeffizient des Heizkörpers noch
durch andere Bedingungen. z. B. durch aufgezsvungene Luftströme, beeinflußt wird,
dadurch beheben, daß man die Wärmeübergangsmessung durch eine Wärmedul chgangsmessung
ersetzt. Bei Wärmedurchgangsmessungen ist es Lihlich, die Temperaturdifferenz an
beiden Seiten eines Wärmeleiters aus festem Stoff in Richtung des zu messenden Wärmeflusses
zu bestimmen. Dementsprechend wird das Verdampfungs- und Kondensationsgefäß vorteilhaft
in einem am Heizkörper angebrachten Wärmeleiter aus festem Stoff in Richtung seines
Wärmeflusses angeordnet. Herbei bedient man sich möglichst eines Wärmeleiters mit
temperaturunabhängigem oder nahezu temperaturunabhängigem Wärmeleitvermögen. Ferner
wird der Wärmeleiter an seiner dem Heizkörper algewanten Seite so geformt, daß die
vorhandenen Konvektionsströme den Wärmeleiter ungehindert umspülten köiiueii, so
daß durch ihn keine Veränderung des Wärmeüberganges stattfindet. Schließlich gibt
man dem Wärmeleiter, damit keine Randverluste an Wärme auftreten, eine quer zur
Richtung des Wärmeflusses möglichst große Ausdehnung und wählt die Wärmeleitfähigkeit
des Baustoffes so, daß der Temperaturabfall im Wärmeleiter in Richtung des Wärmeflusses
nicht erheblich ist. Unter diesen Bedingungen herrschen an der kälteren Seite des
Wärmeleiters annähernd die gleichen Wärmeübergangsbedin gungen für die an ihm erhitzte
Luft wie an dem Heizkörper selbst. Bei Anwendung eines solchen Wärmeleiters zur
Herstellung einer der Wärmemenge proportionalen Temperaturdifferenz benutzt man
eine Alethode, die Proportionalität zwischen transportierter Stoffmenge und Temperaturdifferenz
gewährleistet.
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Um nach erfolgter Abscheidung des gesamen, in dem Zählbehälter vorgesehenen
überführbaren Stoffes in dem zweckmäßig kalibrierten, vom Heizkörper abgewandten
langgestreckten Gefäß eine bequeme und schnelle Rückführung in einen zählbereiten
Zustand zu ermöglichen, ist das Zählgefäß um eine waagerechte Achse kippbar. Dies
ist eine Maßnahme, die bereits bei den vorerwähnten bekannten Zählern angewendet
worden ist. Es hat sich herausgestellt, daß die Entleerung des Kondensgefäßes von
der überführbaren Flüssigkeit (im Falle der Anwendung eines flüssigen Sperrmittels)
dann besonders leicht vonstatten geht, wenn bei diesem durch Kippen hervorgerufenen
Entleerungsvorgang zuerst eine Gasblase in das Kondensgefäß steigt, die bei Wiederherstellung
der Normallage des Zählgefäßes das Eindringen der Sperrflüssigkeit ermöglicht.
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Zu diesem Zweck füllt man das Gefäß nicht ganz bis zur Hälfte mit
Flüssigkeit, damit die darüber befindliche Luft im gekippten Zustand in das Zählrohr
eintreten kann. Zur Eichung der Zählgefäße auf gleiche Empfindlichkeit - 1 mm Flüssigkeit
im Zählrohr muß stets einer bestimmten Wärmemenge (WE/m²) entsprechen - kann man
die Unregelmäßig. keiten im Querschnitt, die bei der Herstellung des Zählrohres
3 auftreten, dadurch ausgleichen, daß der Meniskus der Flüssigkeit im Zählrohr gegen
die Sperrflüssigkeit I3 sowie der Meniskus der Sperrflüssigkeit 13 gegen das darüber
befindliche Gas derartig verändert werden, daß insbesondere zwischen dem Ende 11
des Rohres 3 und dem Meniskus
der Flüssigkeit 13 ein einstellbarer
ringförmiger Diffusionswiderstand entsteht, dessen Größe man den iibrigen in die
Zählung eingehenden Größen anpaßt.
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Neben dieser im vorhergehenden geschilderten Anwendungsmöglichkeit
der Einrichtung nach der Erfindung zur Zählung der von einem Heizkörper abgegebenen
Wärmemengen kann man sich des in Rede stehenden Gerätes sinngemäß auch dann bedienen,
wenn es sich nicht um Heiz-, sondern um Kühlvorgänge handelt, also nicht die abgegebene,
sondern eine aufgenommene Wärmemenge gezählt werden soll. Dieses Zählverfahren stellt
nur die Umkehr des Verfahrens und dementsprechend auch der Zählanordnung dar.
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1A JENTANSPRÜCHI: I. Verfahren zur Wärmemengenzählung, bei dem unter
Ausnutzung eines Temperaturgefälles ein Stofftransport innerhalb eines geschlossenen
Gefäßes stattfindet, dadurch gekennzeichnet, das eine mindestens annähernd proportionale
Beziehung zwischen der den Stofftransport verursachenden Wärmeinenge und der beförderten
Stoffmenge geschaffen wird, indem dem temperaturabhängig steigenden Dampfdruck bzw.
der steigenden Löslichkeit bei Erzeugung des Stofftransportes zunehmende Widerstände
entgegengestellt werden.