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Die vorliegende Erfindung betrifft einen schnellen Dampferzeuger gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bevor auf die Beschreibung von Zweck und vorgesehene Lösungen der vorliegenden Erfindung eingegangen wird, seien einige grundsätzliche Konzepte erläutert, auf denen die vorliegende Erfindung basiert.
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Unter dem Begriff eines Mediums zum Verdampfen ist dabei jedwelche Art von Flüssigkeit zu verstehen, die in ein Gas oder einen Dampf umgewandelt werden soll. Selbstverständlich ist Wasser, wegen seiner bekannten Eigenschaften der Wirtschaftlichkeit, Wiedergewinnbarkeit, Reinheit, usw., ein bevorzugtes Medium für eine Verdampfung. Doch je nach dem Gebrauch, der vom erfindungsgemässen Dampfgenerator gemacht werden soll (insbesondere wo von praktischen Anwendungsmöglichkeiten die Rede sein wird), können auch andere Medien irgendwelcher Art, d.h. jede Art chemischer Zusammensetzung in flüssiger Form in Betracht gezogen werden.
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Unter heissem Fluidum ist in der nachfolgenden Beschreibung irgendein Gas oder Dampf zu verstehen, unabhängig von seiner Herkunft. Dabei kann es sich um warme Luft handeln, die in einem Wärmetauscher erhitzt wurde, oder um irgendein Gas mit genügend hoher Temperatur, welche das Funktionieren des Apparates sicherstellt, und das von Verunreinigungen genügend frei ist, um sicherzustellen, das der Apparat nicht verschmutzt. Die Abgase von Verbrennungsmotoren, allenfalls gereinigt, stellen ein bevorzugtes Beispiel eines solchen heissen Fluidums dar.
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Unter einem porösem Körper ist sodann irgendeine Art eines porösen Körpers zu verstehen, der die hohe Temperaturen des heissen Fluidums auszuhalten vermag (beispielsweise höher als 1200 °C), und der eine Porosität aufweist, die in idealer Weise sicherstellt, dass das zu verdampfende Medium und das heisse Fluidum in direkten Kontakt miteinander treten können. Solche poröse Körper sind gemäss dem Stand der Technik bekannt und können aus aufgeschmolzenen oder gesinterten Metallen, oder aus Komposit-Materialien und insbesondere aus porösem Keramikmaterial bestehen. Auch ein aus feinen Lamellen bestehender Körper kann im Sinn der vorliegenden Erfindung als poröser Körper betrachtet werden.
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Wenn die Rede von einem "schnellen" Dampferzeuger die Rede ist, gilt es zu unterstreichen, dass der erfindungsgemässe Dampferzeuger wenig Zeit benötigen soll (in der Regel bloss wenige Sekunden), um die Dampfproduktion zu beginnen, wenn er in Betrieb gesetzt wird, und dies im Unterschied zu den bekannten Lösungen für Dampferzeuger, die eine lange Aufwärmzeit verlangen. Unter "schnell" ist also "annähernd augenblicklich" zu verstehen.
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Gemäss dem Stand der Technik und aus der Praxis ist die Verwendung metallischer oder keramischer poröser Körper für verschiedenste Anwendungen bekannt. Unter diesen sind auch Anwendungen wie Wärmetauscher bekannt, Brenner für Brennstoffe, und auch die Anwendung für Dampferzeuger. Hier ist natürlich lediglich die letzter Anwendung von Interesse, wegen des gleichen Anwendungszwecks; die andern Anwendungsformen verdienen jedoch insofern Erwähnung, als sie die vielseitige Verwendbarkeit poröser Körper und insbesondere jener aus keramischen Werkstoffen unterstreichen.
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Als Beispiele von Wärmetauschern, in den poröses Material (wobei es sich 1967 nur um ein poröses Metall handeln konnte, da damals poröse Keramikwerkstoffe noch gar nicht entwickelt waren) Verwendung findet, sei beispielsweise die
US-3'433'299 zitiert, in welcher ein Wärmetauscher beschrieben ist, der die Übertragung von Wärme zwischen zwei Fluida im Gegenstrom ermöglicht, die jedoch strikt von einander getrennt gehalten werden. Die Verwendung poröser (metallischer) Körper bezweckt sicher eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades des Wärmetauschers und somit letztendlich eine Verkleinerung der Abmessungen des Wärmetauscheres. Auch die
WO-86/02016 beschreibt einen Wärmetauscher, in welchem ein poröser Körper aus metallischen Partikeln verwendet wird, in welchem für Gase undurchlässige Kanäle vorhanden sind. Auch in diesem Wärmetauscher, der übrigens als katalytischer Reaktor bezeichnet ist, wird dafür gesorgt, dass die beiden Fluida, zwischen denen der Wärmetausch stattfinden soll, getrennt gehalten werden. Zudem findet sich keine Andeutung, dass allenfalls ein keramischer Werkstoff als poröser Werkstoff verwendet werden könnte.
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Eine sehr ähnliche Situation ist sodann in der US-6'119'457 beschrieben, in welcher anstatt eines Wärmetauschers, dessen Haupteigenschaft die Verwendung eines perfektionierten keramischen Motors mit porösem Material, der mit zwei Wärmetauschern und einer Dampfturbine zusammenarbeitet. Auch hier werden die Fluida, zwischen welchen der Wärmetausch stattfinden soll, jedoch strikte voneinander getrennt gehalten.
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Auch sind schnelle Dampferzeuger bekannt, in denen ein erhitzter poröser Körper erwendet wird, durch welchen das zu verdampfende Fluidum strömt. Die
DE-3630546 beispielsweise zeigt einen ähnlichen Wärmeerzeuger, der für die diskontinuierliche Dampfentnahme vorgesehen ist - wofür das Dampfbügeleisen ein klassisches Beispiel ist - in welchem ein Block aus Sintermetall beispielsweise elektrisch bis auf eine vorausbestimmte Temperatur erhitzt wird. Eine andere Art der Beheizung des Blockes aus Sintermetall wird nicht gezeigt. Somit soll hier die grosse Wärmekapazität des Blockes aus Sintermetall ausgenützt werden, um die erforderliche Wärmemenge bereitzustellen, welche die Erzeugung der kurzen "Dampfstösse" ermöglicht, welche den Zweck der Erfindung darstellen. Eine analoge Situation findet sich in der
DE-2448732 , in welcher als Wärmequelle zum Beheizen des porösen Körpers - in diesem Fall aus Keramikmaterial - jedoch vorgesehen ist, dass Mikrowellen verwendet werden, die mittels geeigneten Elektroden erzeugt werden. Die zu verdampfende Flüssigkeit wird auf die Oberfläche des porösen Körpers aus Keramikmaterial gesprüht.
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Auch in der
EP-1134493 , in welcher ein Dampferzeuger zur Verwendung im Produktionsprozess integrierter Halbleiter-Schalkreise beschrieben ist, wird die Verwendung von Mikrowellen zum Erhitzen des Wassers vorgesehen, das durch einen strukturierten (im wesentlichen porösen) Körper strömt.
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Alle oben beschriebenen Systeme zum schnellen Verdampfen eines zu verdampfenden Fluidums sehen also vor, dass der poröse Körper mittels konvektiver Energiezufuhr erhitzt wird, oder im Fall des Verdampfens von Wasser, mittels des bekannten, von Mikrowellen erzeugten Heizeffektes erhitzt wird. Dabei handelt es sich um relativ komplizierte und kostspielige Lösungen, da äussere Energiequellen (elektrische Widerstände, Mikrowellengenerator) gebraucht werden, und da deren Schnelligkeit der Reaktion zumindest fraglich ist.
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Zweck der vorliegende Erfindung ist, die Nachteile der bekannten Lösungen auszuschalten und einen schnellen Dampferzeuger zu schaffen, der auf einem neuen Funktionskonzept basiert, nämlich darauf, dass das zu verdampfende Medium direkt auf das heisse Fluidum, das den porösen Körper erhitzt, trifft und sich damit vermischt, wie dies im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 vorgesehen ist.
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Dank dieser erfindungsgemässen Eigenschaft wird erreicht, dass der Dampferzeuger schnellstmöglich reagiert, nämlich angenähert augenblicklich, weil die Verdampfung des zu verdampfenden Mediums infolge des direkten Kontakts mit dem heissen Fluidum erfolgt, ohne dass zuerst ein dazwischen liegender Körper aufgeheizt werden muss. In diesem Sinne kann auch festgestellt werden, dass die hauptsächliche Funktion des porösen Körpers im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht das Aufheizen des zu verdampfenden Mediums ist, sondem das Verteilen dieses Mediums auf eine grosse Oberfläche, um damit dem heissen Fluidum eine grosse Oberfläche anzubieten, auf der es mit dem zu verdampfenden Medium direkt in Kontakt treten und ihm die erforderliche Wärmemenge abgeben kann.
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Zur Realisierung diese Konzeptes sieht die vorliegende Erfindung vor, dass der poröse Körper mittels eines heissen Fluidums aufgeheizt wird, das ihn in einer Richtung durchströmt, die im wesentlichen im rechten Winkel zur Richtung verläuft, in der das zu verdampfende Medium den porösen Körper durchströmt. Ebenfalls ist vorgesehen, dass mindestens ein Teil des zu verdampfenden Mediums durch Aufsprühen auf die Eintritts-Oberfläche des porösen Körpers vernebelt wird.
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In den Ansprüchen 2 bis 8 sind sodann bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Konzeptes beschrieben, die im folgenden Teil der Beschreibung anhand einer besonderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegende Erfindung näher beschrieben werden.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf ein in der Fig. 1 illustriertes Ausführungsbeispiel näher beschrieben, in welcher ein Dampferzeuger im Aufriss und im Schnitt dargestellt ist.
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Der mit 1 bezeichnete poröse Körper ist in der Fig. 1 gezeigten besonderen Ausführungsform als ringförmiger Zylinderkörper mit kreisringförmiger Oberseite ausgebildet. Dabei sei schon hier festgestellt, dass der poröse Körper 1 im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch andere Formen aufweisen kann (quadratisch, oval, konisch). Klar ist, dass die Form, die für den porösen Körper 1 gewählt wird, der das Herzstück des Dampferzeugers bildet, die ganze Auslegung der Konstruktion des Dampferzeugers beeinflussen kann. Die für das in der Fig. 1 gezeigte Beispiel gewählte Form des ringförmigen Zylinders weist offensichtliche konstruktive Vorteile auf und kann daher als eine bevorzugte Ausführungsform betrachtet werden. Der poröse Körper 1 besteht gemäss einer bevorzugten Ausführungsform aus porösem Keramikmaterial der Art, wie es für Brenner für beispielsweise Methangas, Erdgas, Heizöl, usw., gebraucht wird.
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Der poröse Körper 1 ist in einem zylindrischen Mantel 2 untergebracht, der unten konisch eingezogen ist und eine Eintrittsöffnung für ein heisses Fluidum bildet, das wie mit dem Pfeil f angedeutet von unten herkommt. Der Mantel 2 seinerseits ist in einer äusseren Hülle 3 untergebracht, die oben mit einem Deckel 4 abgeschlossen ist, welcher eine Austrittsöffnung 5 für den erzeugten Dampf und für das heisse Fluidum aufweist, wie dies weiter unten erklärt wird.
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Zwischen dem Mantel 2 und der Hülle 3 liegt ein kreiswringförmiger Zwischenraum 6, dessen Funktion das Vorheizen des zu verdampfenden Mediums ist. Dieses erfüllt den ganzen Zwischenraum 6 in den es via die Zuleitung 7 gelangt, welche das zu verdampfende Medium mittels einer geeigneten Pumpe 8 einspeist und die mit einem Regulierventil 9 versehen ist, mit welchem die die Menge des zu verdampfenden Mediums - manuell oder automatisch - reguliert und der gewünschten Dampfmenge und/oder der kalorischen Kapazität der Vorrichtung angepasst werden kann.
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Zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen dem Mantel 2 und dem zu verdampfenden Medium, das den ganzen Zwischenraum 6 erfüllt, ist diese mit Lamellen 10 versehen, die auch in Form eines einzigen metallischen Geflechts aufweisen können, das wendelförmig um den Mantel 2 gewickelt ist. Der kreisringförmige Zwischenraum 6 ist unten geschlossen und ist im obern Teil mit einem Austrittsrohr 11 versehen , das sich beim Punkt 12 in einen nach unten führenden Ast 13 und einen nach oben führenden Ast 14 verzweigt, welch letzterer sich nach einer Kehrtwendung um 180° ins Zentrum, also in koaxialer Verbindung mit dem porösen Körper 1 erstreckt. In seinem absteigenden Ast 15, innerhalb des porösen Körpers 1, weist die Leitung 14 eine Reihe von Sprühdüsen 16 auf, die regelmässig über die ganze Länge verteilt sind (wobei in der Abbildung insgesamt 14 dargestellt sind, während in Wirklichkeit eine kleinere oder auch eine viel grössere Zahl von Düsen auch über den Umfang der Leitung 15 verteilt sein können). Zwischen einem Ventil 16 (bzw. einem Kranz von auf gleicher Höhe über den Umfang der Leitung verteilten Ventilen 16) und dem (oben oder unten) benachbarten Ventil kann ein Trennring 17 angebracht sein, der eine Art Labyrinthdichtung bildet, um die Verteilung des von den Sprühdüsen 16 versprühten zu verdampfenden Mediums im Innenraum des porösen Körpers 1 zu verbessern und um zu verhindern, dass das heisse Fluidum durch den Innenraum des porösen Körpers 1 durchtreten kann.
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Die absteigende Leitung 13 ihrerseits führt via ein Regulierventil 18 zu einem Kranz von Düsen 19, die längs des Randes des unteren konischen Teils der zylindrischen Hülle 2 verteilt sind, mittels welchen ein Teil des zu verdampfenden Mediums auf die offene Eingangszone 20 der Hüllenkammer 2 gesprüht werden kann. Die absteigende Leitung 15 ist an ihrem unteren Ende geschlossen und weist einen Führungskörper 21 für das heisse Fluidum auf. Mittels der Pumpe 8 wird das zu verdampfende Medium (beispielsweise Wasser) eingepresst (in flüssiger Form), so dass es unter Druck den ganzen kreisringförmigen Zwischenraum 6 und die Leitungen 7, 11, 13, 14 und 15 erfüllt, in solcher Weise, dass das zu verdampfende Medium vernebelt aus den Düsen 16 der Leitung 15 sowie aus den Düsen 19 der Eintrittszone 20 austritt.
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Mittels des Regulierventils 9 wird die Menge des zu verdampfenden Mediums entsprechend den Erfordernissen reguliert, während mittels des Ventils 18 die Zusammensetzung und die Temperatur des heissen Fluidums zur Beheizung des porösen Körpers 1 in geeigneter Weise reguliert wird.
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An die Ausgangsöffnung 5 des Deckels 4 ist die Ausgangsleitung 22 für den erzeugten Dampf angeschlossen, wobei die Dampf-Ausgabemenge und somit der Druck im Zwischenraum 24 zwischen dem obern Teil des porösen Körpers 1 und dem Deckel 4 mittels eines Ventils 23 reguliert wird. Der Deckel 4 ist auch mit einem Sicherheitsventil 25 versehen, das sich öffnet, falls der Druck im Zwischenraum 24 ein zulässiges Mass übersteigen sollte.
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Der erfindungsgemässe Dampferzeuger funktioniert wie folgt: Wie bereits erwähnt, wird das zu verdampfende Medium durch Versprühen durch die Düsen 16 auf die Eingangsoberfläche - in dem in der Fig. 1 dargestellten Fall die zylindrische Oberfläche des Innenraums des ringförmigen Körpers, der den porösen Körper 1 bildet, die aber in Realisierungsformen verschiedener Ausbildung auch von anders ausgebildeten Eintrittsoberflächen gebildet werden könnten - des porösen Körpers 1 vernebelt.
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Das Erhitzen des porösen Körpers 1erfolgt, weil ein heisses Fluidum (beispielsweise ein Gas bei hoher Temperatur, und insbesondere gemäss einer bevorzugten Anwendungsform des erfindungsgemässen Dampferzeugers, die Abgase eines Verbrennungssystems, wie beispielsweise eines Explosionsmotors oder einer Heizanlage) von unten her unter Druck durch die Eingangsöffnung 20 in den porösen Körper gepresst wird, wie dies mit dem Pfeil f angedeutet ist, und diesen in vertikaler Richtung durchströmt (parallel zur Achse h-h des porösen Körpers 1, der im besonderen Fall der Fig. 1 die Form eines ringförmigen Zylinderkörpers aufweist), und das aus der Oberfläche des porösen Körpers 1 in den Zwischenraum 24 austritt. Während des Durchquerens des porösen Körpers 1, der sich dabei im Kontakt mit dem heissen Fluidum erhitzt, tritt dieses auch mit dem zu verdampfenden Medium direkt in Kontakt, das dadurch augenblicklich verdampft, wobei auch in Rechnung zu stellen ist, dass die Temperatur des heissen Fluidums vorzugsweise höher als 1200°C ist, gemessen in seiner Eintrittszone in den porösen Körper 1.
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Es liegt auf der Hand, dass das Material, aus dem der poröse Körper 1 besteht, im Stande sein muss, solche Temperaturen über längere Zeit auszuhalten und auch unvermeidliche thermisches Überschiessen (Exkursionen) während Abstellphasen des Dampferzeugers zu ertragen. Ein für diesen Zweck absolut geeignetes Material ist heute im Handel erhältlich, aus dem auch die porösen Keramikkörper bestehen, die für die Brenner in modernen Heizanlagen zur Verbrennung von Heizöl, Methan, Erdgas, usw., angewendet werden.
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Auch können mit einigem Erfolg für den Zweck der vorliegenden Erfindung auch andere Arten von porösen Körpern 1 verwendet werden, wie beispielsweise Sintermetalle aus Edelmetallen, Komposit-Materialien, usw.
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Eine grundlegende Eigenschaft ist jedoch, dank ihrer Neuartigkeit, dass das zu verdampfende Medium und das heisse Fluidum direkt miteinander in Kontakt treten, und nicht indirekt durch eine Trennwand aufeinander wirken. Dies bedeutet, dass mit dem erfindungsgemässen Apparat die Verdampfung angenähert augenblicklich erfolgt. Dabei ist natürlich in Erinnerung zu behalten, dass im Dampf, der aus dem porösen Körper 1 austritt und via die Austrittsleitung 22 abgeführt wird, auch das heisse Fluidum enthalten ist: Dabei handelt es sich um ein Gemisch von Dampf und Gas, dessen Zusammensetzung zu berücksichtigen ist, wenn die vorgesehene Anwendung des erzeugten Dampfs (bzw. des Gemisches) festgelegt wird.
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Im Fall der Abgase einer Verbrennungsanlage hat sich gezeigt, dass die Abgasmenge im Verhältnis zur erzeugten Dampfmenge sehr gering ist und keine besonderen Störungen verursacht. Der Vorteil liegt jedoch darin, dass praktisch die gesamte Energiemenge der Abgase dem Verbraucher zu Gute kommt, ohne dass im porösen Körper 1 besondere Verschmutzungsprobleme auftreten. Es ist auch festzustellen, dass das zu verdampfende Medium vor der Vernebelung in den Düsen 16 und 19 im ringförmigen Zwischenraum 6 vorgewärmt wird. Zum Vermeiden unnötiger Wärmeverluste kann die ganze äussere Hülle 3 in geeigneter Weise isoliert werden.
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Die Anordnung der Grundelemente des erfindungsgemässen schnellen Dampferzeugers kann innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung beträchtlich variieren. So können die Formgebung, die Abmessungen und die Porosität des porösen Körpers 1 variieren, auch seine räumliche Anordnung (horizontale Ausrichtung der Achse, Drehung um 180°, Lage der Düsen 16 gegenüber dem porösen Körper 1, usw.). Was hingegen zählt, ist die grundsätzliche Idee, dass das zu verdampfende Medium und das heisse Fluidum im Innern eines porösen Körper 1 direkt aufeinandertreffen, dessen Funktion letztlich nur das Verteilen der beiden Medien auf eine viel grössere Begegnungsfläche ist.
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Die Anwendungsbereiche dieser neuen Art von schnellem Dampferzeuger sind verschieden, und reichen von Prozessen der Energieerzeugung, der Destillation, zu Trocknungsanlagen (mit überhitztem Dampf oder mit Sattdampf), zur Sterilisation in der Lebensmittelverarbeitung, Wärme-Kraft-Koppelungsanlagen bis hin zur Sterilisation medizinischer Instrumente, usw.
Liste der in den Figuren verwendeten Bezugsziffern
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- 1
- poröser Körper
- 2
- zylindrischer Mantel
- 3
- äussere Hülle
- 4
- Deckel
- 5
- Ausgangsöffnung
- 6
- ringförmiger Zwischenraum
- 7
- Zuleitung
- 8
- Pumpe
- 9
- Regulierventil
- 10
- Lamellen
- 11
- Ausgabeleitung
- 12
- Verzweigungspunkt
- 13
- absteigende Leitung
- 14
- aufsteigende Leitung
- 15
- Teilstück der absteigenden Leitung 14
- 16
- Düse
- 17
- Trennring
- 18
- Regulierventil
- 19
- Düsenkranz (Venturi-Düsen)
- 20
- Kranz von Venturi-Düsen
- 21
- leitender Konus
- 22
- Ausgabeleitung
- 23
- Regulierventil
- 24
- Zwischenraum
- 25
- Sicherheitsventil
