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| Wassererhitzer. |
| Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein |
| auf Flüssigkeitserhitzer und insbesondere auf Wassererhitzer |
| mit mehreren Durchgängen, in welchen das Wasser in entgegen- |
| gesetzten Richtungen überhalb des Erhitzers durch darin
be- |
| findliche Värmetauschrßhren geleitet wird. |
| Bei Wassererhitzern, besonders bei Durchlauferhitzern |
| im Gegensatz zu Vorratserhitzern, in welchen die in einem |
| Vorratsbehälter angesammelte Flüssigkeit durch den Erhitzer |
| in Umlauf gese@st wird, bestehen zwei, sich einander gegen- |
| überstehende Betriebseigenschaften. Das Einlaßwasser weist |
| normalerweise eine Temperatur unterfalb des Taupunktes der |
| Verbrennungsgase im Erhitzer auf, so daß sich ein Niederschlag |
| an der Außenfläche der Wärmeaustauschröhren auf beträchtlicher |
| Länge in der Nähe des Wassereinlasses bildet: Die niedrige |
| Temperatur der Wärmeaustauschfläehen bewirkt auch eia Verrußen, |
| so daß der Ruß und das Kondensatgesisch von den eärzeanstausch- |
| röhren herabfallen und eine Korrosion innerhalb des Verbrennungs- |
| raumes hervorrufen. Auf diese Weise werden die Brenntröfßnungen |
| unterhalb der kalten Teile der Röhren verstopft. Um die
Länge |
| der Röhren, auf welchen sich ein solcher Kondensatniederschlag |
| und Ruß bildet, zu kurzen, soll die Strömung des kalten
Wassers |
| durch die Einlaßteile der Wärmeaustauschröhren langsam
sein, |
| so daß das Wasser auf geringster Länge der Strömung innerhalb |
| der Röhre bis überhalb des Taupunktes gebracht werden kann. |
| Wenn jedoch die Wassertemperaturen ansteigen, dann nimmt |
| das Abbröckeln und der Niederschlag von Mineralien des Wassers |
| zu; nachdem das Wasser erwärmt wurde soll die Strömung des |
| Wassers vergrößert werden, um die Innenflächen der Wärmesus- |
| tauschröhren, dort wo das- Wasser heiß ist, sauber
zu halten und |
| um zu verhindern, daB sich Kesselstein bildet. Die Strömung
des |
| Wassers durch die Wärmeaustauschröhren soll deshalb langsam
sein, |
| wenn das Wasser noch kalt ist, um das Verrußen und die Kondensat- |
| bildung an der Außenseite der Röhren zu verhindern; schnelle |
| Strömung jedoch soll erzielt werden, wenn das Wasser erhitzt |
| ist, um somit das Innere der Wärmeaustauschröhren sauber
zu |
| halten und die Bildung von Kesselstein zu vermeiden. Die
zwei |
| gewünschten Betriebsbedingungen stehen in Widerspruch zueinander |
| und früher war es nötig, einen KompromiB zwischen der gewünschten |
| langsamen Strömung, während das Wasser kalt war, und der
gf- |
wünschten schnellen Strömung, während das Wasser heiß war, zu
erreichen, so daß das Wasser durch die Wärmeaustauschröhren
in einem mittleren
Geschwindigkeitsbereich lief. Diese
mittlere Geschwindigkeit war jedoch nicht
als Optimum für eine
der beiden Betriebsbedingungen anzusehen.
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Erfindungsgemäß wird ein Erhitzer mit mehreren Durchgängen
verwendet,
bei welchem die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers
durch die kalten
Wärmetauscherdurchgänge in der Nähe, des Wasser-
einlassec gering ist,
während das Wasser durch die heißen
Wärmetauscher."durchgänge des Erhitzers
in die Nähe des Auslasses
schnell fließt. Diese Änderung der Strömungsgeschwindigkeit
wird
dadurch erreicht, daß die Menge des durch die heißen Durchgänge hindurchfließenden
Wassers gegenüber jener vergrößert
wird, welche durch die.kalten
Durchgänge hindurchfließt. Ein
Teil der gesamten Wassermenge,
welche durch den Erhitzer fließt,
wird um die kalten Durchgänge in der
Nähe des Erhitzereinlasses herumgeleitet. Dieses umgeleitete Wasser wird
mit heißem Wasser
vermischt, wenn es die Einlaß-Wärmetauscherdurchgänge
verläßt,
wonach die gesamte Strömung nur durch die Wärmetauscherdurehgänge
in der Nähe des Erhitzerauslasses geleitet wird.
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Wenn der Wasserdruck am Erhitzereinlaß in wesentlichen
konstant
ist, dann kann die Umleitung der kalten Wärmetauscher-
durchgänge aus einem
feststehenden Durchgang bestehen, welcher
einen in wesentlichen konstanten
Anteil der gesamten durch den
Erhitzer laufenden Strömung umleitet.
Andererseits, wenn sich
der Druck am Einlaß des Wärmetauschers ändern kann,
dann kann
die Umleitung der kalten Wärmetauseherdurehgänge in
der Größe verschieden sein und beispielsweise durch einen thermischen Schalter betätigt
werden, welcher entweder auf die Wassertemperatur am Erhitzereinlaß oder am Auslaß
der kalten Wärmetauscherdurchgänge anspricht. Letztere Anordnung wird besonders
dargestellt und beschrieben.
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Um den Wasserdruck am Einlaß des Wärmetauschers trotz Änderungen des
Zuführungsdruckes im wesentlichen konstant zu halten, wird der Strömungsregler verwendet,
welcher in dem U.S.Patent von Miller Nr. 3,134.366, gewährt am 26.Mai 1964 für "flog-:
regulator _'or a heater" beschrieben ist. In diesem Patent wird ein Strömungsregler
für einen Wassererhitzer beschrieben und zum Anspruch gebracht, welcher die Änderungenim
Zuführungsdruck ausgleicht, indem steuerbar ein Teil der Strömung direkt
vom Erhitzereinlaß zum Erhitzerauslaß und zwar
um alle Wärmetauscherröhren
umgeleitet wird. Mit dem Strömungsregler des Miller-Patentes wird der Wasserdruck
am Einlaß des Wärmetauschers relativ konstant gehalten; wenn er
mit dieser Anordnung zusammen verwendet wird, wird die feststehende Umleitung,
welche nur um die kalten Wärmetauscherdurchgänge herumführt, praktisch verwendbar,
sogar wenn der Zuführungsdruck unterschiedlich ist. Die Kombination
der Gesamtumleitung, um
die gesamte Strömung des Wärmetauschers umzuleiten,
mit der
teilweisen Umleitung, um nur die kalten Wärmetauscherdurchgänge
zu umgehen, ist ein wichtiges Kennzeichen der vorliegenden Erfindung.
Mit
der vorliegenden Erfindung soll deshalb ein verbesserter Wassererhitzer mit mehreren
Wärmetauscherdurchgängen geschaffen werden, wobei verschiedene Strömungsmengen
von Wasser in den kalten und in den heißen Wärmetauscherdurchgängen fließen. Bei
dem verbesserten, erfindungsgemäßen Wassererhitzer mit mehreren Wärmetauscherdurchgängen
wird nur ein Teil der gesamten Strömung des Erhitzers durch die
kalten
Wärmetauscherdurchgänge geleitet, während die Gesamtströmung durch die heißen Wärmetauscherdurchgänge
geführt wird, so daß die Geschwindigkeit der durch die heißen Wärmetauscherdurchgänge
geführten Strömung gesteigert wird. Weiter-hin wird ein verbesserter Wassererhitzer
mit merireren Wärme-
tauscherdurchgängen geschaffen, bei welchem ein
Teil der ge-
samten Wasserströmung durch den Erhitzer nur um die kalten
Wärmetauscherdurchgänge
des Erhitzers geleitet wird.
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Der verbesserte Wassererhitzer mit mehreren Wärmetauscher- durchgängen
ist außerdem mit einer Umleitung nur um die heißen
wärmetauscherdurchgänge
in der Nähe des Erhitzereinlasses ausge-
stattet, wobei die
Umleitung durch einen thermischen Schalter ge-
steuert wird, um den
Anteil des umgeleiteten Wassers $u verändern. Des weiteren kann eine Nebenleitung
direkt zwischen Einlaß und
Auslaß des Erhitzers vorgesehen sein,
um den Wasserdruck am Ein-
las der wärsetauscherdurchgänge
auf in wesentlichen konstantes
Wert zu halten.
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Es zeigen:
Fig. 1 eine Persgektivaneicht mit abgebrochenen
Teilen eines
erfindungsgemäßen Wassererhitzers;
Fig.
2 eine teilweise, waagrechte Schnittansicht der
Sammelleitungen
und der Wärmetauscherröhren, Welche
mehrere Durchgänge durch den
Erhitzer bilden; und
Fig. 3 eine Eingelansicht im Schnitt der thermisch
ge-
steuerten Nebenleitungen.
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Der in der besonderen Darstellung in der Beschreibung auf- geführte
Wassererhitzer besteht aus einem Verbrennungsraum 11
aus Metallplatten
und aus einer äußeren Umkleidung 12 aus
Metallplatten, zwischen welchen sich
eine Isolierschicht 13
aus Gesteinswolle o.dgl. befindet. Am Grunde
des Verbrennungs-
raumes 11 befinden sich mehrere Brenner 14. Diese stehen
über
eine Leitung 15 mit einem Steuerventil 16, einem Druckregler 17
und
einer Elektromagnetsteuerung 18 in Verbindung. Eine her-
kömmliche
Zünd- und Sicherheitsflamme ist bei 19 angezeigt.
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Der dargestellte Wassererhitzer weist mehrere Röhren und Durchgänge
auf. Es wird ein EinlaB-AuslaB-Leitungssystem bzw.
eine Sammelleitung
21 am Vorderteil des Erhitzers und ein
Leitungssystem bzw. eine
Sammelleitung 22 an der Rückseite
des Erhitzers verwendet. Zwischen den
Sammelleitungen 21 und 22
erstrecken sich Wärmeaustauschröhren
23. Es werden acht für einen
Erhitzer mit vier Durchgängen
dargestellt, wobei die Wärme-
austauschröhren in jedes Durchgang paarweise
angeordnet sind.
Natürlich können jeweils nur eine einzelne oder mehr als
zwei
Wärmeaustausehröhren in jedem Durchgang verwendet werden; für
die
vorliegende Erfindung sind zwei bzw, beliebig mehr von Durch-
gängen vorgesehen.
Die Wärmeaustausehröhren 23 sind auf ihren
Außenflächen
vollkommen mit flippen ausgestattet, um den
Bereich der Wärmeübertragung zu
vergrößern; die Röhren be-
finden sich im Verbrennungsraum 1i
über den Brennern 14.
Leitflächen 24 können sich überhalb der Wärmeaustauschröhren
23 befinden, wie es in der Anmeldung von Avy L.Miller, Serial No.
214,156, eingereicht am 20.Juli 1962 für "Fluid Heater",
erteilt am 29.Apri1 1964 beschrieben ist. Über den Wärmeaus-
tausehröhren
23 sammelt eine Abzugshaube 25 die Verbrennu.-#gsprodukte und leitet sie
zum Abzugskanal 26.
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Die Wärmeaustauschröhren 23 sind paarweise
in jedem Durch-
gang über dem Erhitzer angeordnet; ein Paar 27 bildet den
ersten
Durchgang durch den Erhitzer von der Vorder- zur Rück-
seite. Ein Paar 28
bildet den zweiten Durchgang durch den
Erhitzer von der Rück- zur =Vorderseite,
ein Paar 29 bildet
den dritten Durchgang durch den Erhitzer von der
Vorder- zur
Rückseite und ein Paar 30 bildet den vierten Durchgang durch
den
Erhitzer von der Rück- zur Vorderseite.
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Die rückwärtige Sammelleitung 22 weist eine Befestigungs-
platte
31 auf, an welcher abgedichtet die rückwärtigen der
Wärneaustauschröhren
23 befestigt sind. Auf der Befestigungs-
platte 31 erstreckt sich quer
zu den Wärmeaustauschröhren ein
schüsselartiger Sammelteil 32 mit
einer darin befindlichen
Wand 33, die das innere in zwei Kammern
34 und 35 unterteilt.
Die Kammer 34 verbindet das stromabwärts gelegene
Ende des
ersten Durchganges überhalb des Erhitzers mit dem stromaufwärts
gelesenen
Ende des zweiten Durchganges über den Erhitzer.
Die vordere
Sammelleitung 21 weist eine Befestigungs-platte 36 auf, an welcher abgedichtet
die vorderen Enden
der Wärmeaustausehröhren 23 befestigt sind. Ein
schüsselartiger Sammelteil 37 mit einer inneren Wand 38, welche
eine Einlaßkammer
39 bildet, ist an der Befestigungsplatte 36 angebracht. Ein Ansatz 41 erstreckt
sich von der Sammelleitung 21 nach außen und ist mit einer Bohrung 42 ausgestattet,
welche mit der Einlaßkammer 39 in Verbindung steht. Die Bohrung weist ein Gewinde
für eine Einlaßleitung 43 auf. Eine zusammenhängende Trennwand
44 unterteilt das Innere
des @amme7.,"ils 37 in die Kammern 45 und
46. Ein Ansatz 47
erstreckt sich von der Sammeleitung 21 nach außen
und ist mit
einer Bohrung 48 ausgestattet.Diese Bohrung steht mit der
Kammer 46 in Verbindung und weist ein Gewinde für eine Aus-
laßleitung 49
auf. ,-..
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Die Einlaßkammer 39 steht direkt mit den Einlaßenden
des
Paars von Wärmeaustauschröhren 27 in Verbindung welche den
ersten
Durchgang über dem Erhitzer bilden. Die Kammer 45 ver-
bindet die stromabwärts
gelegenen Enden der den zweiten Durch-
gang darstellenden Wärmeaustausehröhren
mit den stromaufwärts
gelegenen Enden der den dritten Durchgang bildenden
Wärmeaus-
tausehröhren. Die Auslaßkammer 46 steht mit den stromabwärts
gelegenen
Enden der den vierten Durchgang darstellenden Wärieaustausehröhren
in Verbindung.
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Die Wand 38 ist mit einem Durchgang 51 versehen, welcher die
,Kammern
39 und 45 miteinander verbindet und dadurch eine Leitung
zwischen
den zwei ersten Durchgängen, welche durch die Paare 27
und
28 dargestellt sind, über dem Erhitzer herstellt. Der Durchgang 51 kann aus einer
entfernbaren Büchse 52 bestehen, wobei die Größe des Durchganges und die Menge des
durchfließenden Wassers durch Einsatz von Büchsen verschieden großer Bohrungen geändert
werden können. Bei einen
Erhitzer mit zwei Durchgängen, bei weichem die Paare
29 arid 30 der Wärmesustauschröhren nicht verwendet werden würden, könnte der Durchgang
51 aus einer äußeren Leitung bestehen, welche die Kammern 39 und 34 miteinander
verbindet und dabei nur den ersten Durchgang über dem Erhitzer umgeht.
Zum Zwecke einer klareren Anordnung und um diese Leitung zu vermeiden
ist erfindungsgemäß ein Erhitzer mit vier Durchgängen vorgesehen.
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wm den Strömungsregler des Miller-Patentes No. 3,154,366
zu verwenden, ist die Wand 38 auch mit Öffnungen 53 ausge-
stattet,
welche die Kammern 39 und 46 miteinander verbinden um den gesamten Wärmeaustauscher
2u umgehen und um das Wasser direkt von der Einlaßleitung 43 mr Auslaßleitung
49 zu leiten. Die Öffnungen 53 werden versteilbar durch eine Ventilplatte
54 geschlossen, wobei die Ventilplatte 54 durch eine Feder 55
gegen die
Wand 38 gedrückt wird. Die Feder 55 umgibt einen
Federiührungsbolzen
56, welcher mit Hilfe einer Mutter 58
verstellbar auf einer
Klemme 57 angeordnet ist. Die Klemme 57 bildet einen Teil der Wand 38
und ist mit den Öffnungen 53
ausgestattet. wie aus des Patent Nr. 3,134,366
hervorgeht,
regulieren die mit den Öffnungen 53 ausgestattete
Steuerungs-
Webeüleituhg und die mit Federkraft angedrückte
Ventliplatte 54 die Strömung durch den Wärmetauscher des trhitzers, u* ünabhängig
von Druckänderürigen des Pörderätückea in der ginlaßleitung 43 zu sein. Auf diese
Veiee wird der Druck in der. gibla$kanmer.39 in wesentlichen über einen breiten
Bereich des Zuführungsdruckes konstant gehalten.
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Änderungen des zügeiührten Druckes können in einem Kreislaufsystem
zum Erhitzen eines SwimMing pools, welcher einen Filter für das durch den Erhitzer
geführte Wasser enthält, auftreten. Wenn der Filter verstopft,as;igert sich das
Druck= ge±älle, so dafl der Druck in der Einlaßleitung 43 weiter absinkt. Wenn die
Spannung der Feder 45 so eingestellt ist, daß die durch die Öffnungen 53 dargestellte
Leitung weit geöffnet ist, wenn der Filter gereinigt und der Vorratsdruck hoch ist,
dann wird sich die Nebenleitung nach und nach verschließen, xerih der Filter verstopft,
so daB der Druck in der Kaffer 39 und die Strömung durch den Wärmetauscher
in wesentlichen konstant bleiben. Wenn der Druck innerhalb der
Kammer 39 konstant bleibt,
wird ein im wesentlichen konstantes Volumen
von Wasser durch den Durchgang 51 und über die kalten Wärmetauscher-Durchgänge des
Erhitzers geleitet.
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Wie in den Miller-Patent Nr. 1,134,366
erklärt ist, tann die Ventilplatte 54 durch eine thermische Vorrichtung
anstelle
der Feder 55 gesteuert werden. Dabei spricht der thermische
Körper auf die Temperatur des Wassers in der Anslaßkamer
46
an. Bei Systemen, bei welchen der Druck der Einlafileitung
43
im Wesentlichen konstant bleibt, kann der Strömungsregler
in
Form der Nebenleitungen 53 und der Ventilplatte 54
voll-
kommen weggelassen werden, da der einzige Zweck dieser
Bauteile
darin besteht, Unterschiede des Förderdruckes aus-
zugleichen.
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In Figur 3 ist die durch eine thermische Vorrichtung betätigte
Umleitung um die kalten Wärmetauscherdurchgänge des Erhitzers dargestellt.
Diese thermisch gesteuerte, teil-
weise Umleitung kann zusammen
mit dem gesamten Umleitungs-Strömungsregler des Patents Nr. 3,134,366
verwendet werden;
sie wird jedoch alleine dargestellt und ist wirksam unab-
hängig
davon, ob der Einlaßdruck des Wärmetauseherssich ändert oder nicht.
Diese Abänderung gleicht auch Temperatur-
unterschiede des Wassers am Einlaß
aus, da sie sich allein
mit def Temperatur des Wassers befaßt, welches
die kalten
Wärmetauscherdurchgänge verläßt. Aus diesen Grunde gleicht sie
in
gewissem Ausmaße sowohl den Druck als auch die Temperatur
des Einlaßwassers
aus.
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Wie insbesondere in Fig. 5 dargestellt ist, wird anstelle
des
Sammelteils 37 der Sammelteil 37A verwendet. Er ist identisch
mit
dem Sammelteil 37 mit der Ausnahme, daß die Öffnungen 53
und die Steuerelemente
54 bis 58 weggelassen wurden. Die innere
Wand 38A,welche die Einlaßkammer
39 bildet, ist mit einer
Nebenleitung 61 zwischen den Kammern
39 und 45 versehen. Diese
Webenleitung übt die allgemeine Funktion der
Nebenleitung 51
aus, die Strömung wird jedoch durch eine Ventilplatte 62 ge-
steuert.
Die Ventilplatte 62 ist drehbar bei 63 über einer Platte
64 gelagert. Die
Platte 64 dient als Leitfläche, um zunächst
die Strömung durch
die Nebenleitung 61 von dem erhitzten Wasser zu-trennen, welches von den zweiten
Wärmetauscherröhren 28 hergeleitet wird. Ein Arm 65 ist mit der Ventilplatte 62
verbunden und erstreckt sich durch eine Öffnung in der Platte 64, um einen thermischen
Schalter 66 so zu halten, daß er auf das erhitzte Wasser anspricht, welches von
den Wärmetauscherröhren 28 ausläuft. Der thermische Schalter 66 weist einen
bewegbaren Kolben 68 auf, welcher gegen die Wand 38A d--rückt, um eine Bewegung
des Schalters 66, des Arms 65 und der Ventilplatte 62 bei Ausdehnung und Zusammenziehung
des Schalters während eines Temperaturwechsels des aus den Wärmetauscherröhren 28
ausfließenden Wassers zu erreichen.
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Die Anordnung nach Figur 3 arbeitet so, daß, wenn-,das, ._. aus den
durch das Paar von Wärmetauscherröhren 28:ge,äilde.ten Durchgang ausströmende Wasser
sich erhitzt, der thermische Schalter 66 sich ausdehnt, um die Nebenleitung 61 abzusperren,
so daß mehr Wasser durch die kalten Wärmetauscherdurchgänge geleitet wird.
Die vergrößerte Durchlaufgeschwindigkeit verringert die Temperatur des aus
dem zweiten Durchgang auslaufenden Wassers, da die Wärmeaufnahme des Erhitzers
aus@den Brennern 14 im wesentlichen konstant ist. Andererseits, wenn das aus dem
zweiten Wärmetauscherdurchgang ausfließende Wasser kälter wird, dann zieht sich
der Schalter 66 zusammen; auf diese Weise wird die Ventilplatte 62 so bewegt, daß
die Nebenleitung 61 weiter geöffnet wird,-wobei eine größere Menge von Wasser um
die kalten Wärmetauscherdurchgänge geleitet wird. Die Strömung durch
die
Durchgänge wird dadurch verringert, so daß mehr Ritze auf das darin befindliche
Wasser übertragen wird und folglich sich die Temperatur des Wassers, welches aus
den zweiten Wärmetauscherröhren 28 ausläuft, erhöht. Man kann erkennen, daß dadurch
der Strom in der Nebenleitung bis zu einer im
wesentlichen konstanten Temperatur
des aus dem zweiten Wärmetauscherdurchgang ausströmenden Wassers reguliert wird
und zwar unabhängig vom Druck und von der Temperatur des Wassers am Einlaß.
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Erfindungsgemäß ist es nicht länger nötig, einen vollen Kompromiß
zwischen der gewünschten Strömung durch die kalten Erhitzerdurchgänge und die schnelle
Strömung durch die heißen Erhitzerdurchgänge einzugehen. Die gewünschten Bedingungen
werden genauer dadurch erreicht, daß ein Teil der Strömung durch den Erhitzer nur
um die kalten Wärmetauscherdurchgänge geleitet wird, wobei mehr Wasser durch die
heißen Wärmetauschetdurchsänge mit notwendigerweise größererStrömungsgeschwindigkeit
als durch die kalten Wäroetausaherdurehgänge fließt. Bei eine
im wesentlichen
konstanten Einlaßdruck kann eine feststehende Nebenleitung um die kalten Wärmetauscherdurchgänge
vorgesehen sein. Die Erfindung weist ferner in Kombination einen Strömungsregler
auf, welcher durch eine eingebaute, automatische Neben-leitung um
den gesamten Wärmetauscher gebildet wird, so daß
Änderungen des Zuführungsdruckes
vollkommen ausgeglichen Werden,
ui den Einlaß des Wärmetauschers
auf relativ konstantem Druck
zu halten.
In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Nebenleitung, welche nur um
die kalten Wärmetauscherdurchgänge des Erhitzers führt, durch einen thermischen
Schalter betätigt, um die gewünschten Betriebsbedingungen besser erreichen zu können.
her thermische Schalter kann auf die Wassertemperatur in jedem Teil des Erhitzers
ansprechen, arbeitet jedoch vorzugsweise nach der Temperatur des Wassers, welches
aus den Wärmetauscherdurchgängen,.um Welche das Wasser geleitet wird, ausströmt,
bevor es sich mit dem abgeleiteten Wasser mischt.