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Verfahren zum Messen des spezifischen Energiebedarfs von Trockenmaschinen
Bei
Trockenmaschinen erfolgt die Wärmezufuhr für den Trocknungsprozeß durch Dampf oder
durch elektrische Energie. Sowohl bei direkter Übertragung der Wärme des Dampfes
auf das Trockengut, z. B. bei den Zylindertrockenmaschinen der Textilindustrie oder
bei Papiermaschinen, als auch bei Erwärmung der zur Trocknung verwendeten Luft in
Rippenheizkörpern oder Heizröhrenkesseln ist eine zusätzliche
Wärmemenge für die
Erwärmung des Trockengutes sowie, je nach Ausführung und Zustand der Trockenmaschine,
für die Erwärmung der Maschine selbst und zur Deckung von Strahlungsverlusten erforderlich.
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Bezeichnet G, das Gewicht der minutlich aufzutrocknenden Wassermenge,
q die Flüssigkeitswärme für eine bestimmte Temperatur des Trockengutes und r die
Verdampfungswärme, dann ist bekanntlich die zur Trocknung theoretisch erforderliche
Wärmemenge Q = Gw (q + r) (kcal/min).
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Die zur Trocknung wirklich aufgewandte Wärmemenge ist bei Dampfheizung
bestimmt durch Q = GD (i» - iK) (kcal/min),
worin GD Dampfgewicht/min, iD Wärmeinhalt
des Dampfes, iz Wärmeinhalt des Kondenswassers bedeutet.
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Bei elektrischer Heizung ist Q' = N@ # ### = 14,2 # Ne (kcal/min),
worin
Ne die Leistung in Kilowatt darstellt. Wird Dampf von konstanter Spannung verwendet,
dann ist = E = = const.
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Der wirkliche Wärmeverbrauch ist dann durch das Dampfgewicht Go bestimmt,
das dem Gewicht des anfallenden Kondenswasser gleich ist. Man bezeichnet allgemein
das für die Auftrocknung erforderliche Dampfgewicht, bezogen auf 1 kg Wasser oder
1 kg Trockengut (vor bzw. nach der Trocknung) oder bezogen auf die Längen-, Flächen-
oder Volumeinheit des Trockengutes, als spezifischen Energie- oder Dampfverbrauch
(Verdampfungsziffer). Analog läßt sich auch bei elektrischer Heizung der in Wärme
umgesetzte Energieverbrauch je Kilogramm Wasser oder je Gewichts-, Längen-, Flächen-
oder Volumeinheit des Trockengutes als spezifischer Energieverbrauch ausdrücken.
Der spezifische Energiebedarf Z läßt sich also durch folgenden, praktisch wichtigen
Quotienten darstellen : ZW= E GW bzw.
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E Ztg = vrç wobei GTD das Gewicht des Trockengutes ist und die Energie
E in Kilogramm Dampf (Go) oder Kilowattstunden (Ne) ausgedrückt ist. Der spezifische
Energieverbrauch ist als eine maßgebende Größe zur Beurteilung von Trockenprozessen
anzusehen, der Aufschluß gibt über die wirtschaftliche Ausnutzung des zur Trocknung
benutzten Dampfes bzw. elektrischen Stromes. Den eindeutigen Aufschluß über den
Wirkungsgrad der Ausnutzung der der Trockenmaschine zugeführten Wärme stellt die
direkte Messung des Dampfverbrauchs bzw. des elektrischen Energieverbrauchs, bezogen
auf 1 kg aufzutrocknendes Wasser oder auf eine Maßeinheit des Trockengutes, also
die Messung des spezifischen Energieverbrauchs, dar.
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Einrichtungen zur Messung dieser Größe sind jedoch bisher noch nicht
bekannt. Man hat den spezifischen Energieverbrauch bisher dadurch ermittelt, daß
man über einen mehr oder weniger langen Zeitabschnitt des Trockenvorgangs den Dampfverbrauch
bzw. elektrischen Energieverbrauch und die Menge des in dieser Zeit aufgetrockneten
Trockengutes getrennt feststellte und aus der entsprechenden Division beider Werte
den spezifischen Energieverbrauch errechnete.
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Wenn die Trocknungsverhältnisse über den Zeitabschnitt der Messung
konstant bleiben, also insbesondere die Faktoren Temperatur und Feuchtigkeit der
Luft vor der Trocknung, die Wärmeausstrahlungsverluste sowie die Beschaffenheit
des Trockengutes, dann kann auch die Durchlaufgeschwindigkeit des Trockengutes durch
die Trockenmaschine unverändert bleiben, und damit ist der wahre spezifische Energieverbrauch
in jedem Zeitpunkt gleich dem errechneten mittleren spezifischen Energieverbrauch.
Ändern sich jedoch innerhalb der Meßzeit irgendwelche dieser Faktoren, dann weicht
der wahre spezifische Energieverbrauch mehr oder weniger von dem errechneten mittleren
Energieverbrauch ab. Die Messung des Energieverbrauchs über einen längeren Zeitabschnitt
ergibt also durch Rechnung nur mittlere spezifische Energieverbrauchswerte.
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Die Messung des Energieverbrauchs setzt bei Dampfheizung in erster
Linie die Messung des Gewichts oder Volumens des der Dampfmenge entsprechenden Kondenswassers
mittels Behälter oder Durchflußmesser in der Ausführung von Ovalradzählern od. dgl.
voraus.
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Bei elektrischer Heizung erfolgt die Messung der verbrauchten Energie
zweckmäßig durch Zähler bzw.
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Leistungsmesser. Weiterhin ist jeweils auch in der gemessenen Zeitperiode
die aufgetrocknete Wassermenge bzw. die Menge des aufgetrockneten Materials in demjenigen
Maßsystem zu ermitteln, auf das das Dampfgewicht bzw. der elektrische Energieverbrauch
bezogen werden soll.
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Die Einrichtung nach der Erfindung gestattet, den spezifischen Energieverbrauch
von Trockenmaschinen in jedem Zeitpunkt des Trockenprozesses direkt als Quotienten
des augenblicklichen Energieverbrauchs je Zeiteinheit und der in dieser Zeit getrockneten
Materialmenge zu messen. Bei Zugrundelegung von I Minute als Zeiteinheit kann die
aufgetrocknete Wassermenge ausgedrückt werden durch Gw= gw. wobei v die Durchlaufgeschwindigkeit
in mlmin des Trockengutes durch die Maschien und gw das aufgetrocknete Wassergewicht
in Kilogramm je Meter Durchlaufstrecke bedeuten. Analog ist das minutliche, durch
die Trockenmaschine laufende Gewicht des Trockengutes, bezogen auf den Zustand vor
oder nach der Trocknung, GTg = v gib Die Gewichte Ww bzw. GTg lassen sich also,
wenn gw bzw. gtg bekannt sind, aus der Durchlaufgeschwindigkeit v des Trockengutes
bestimmen. Der spezifische Energieverbrauch von Trockenmaschinen kann daher auch
ausgedrückt, werden durch die Quotienten GD Zw = v # gw bzw.
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N-v # gw GD Zw = v # g@@ bzw.
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Ne O'g, Erfindungsgemäß werden nun in einer elektrischen Brückenanordnung
die drei Größen dieser Gleichungen, die den spezifischen Energieverbrauch bestimmen,
durch drei Widerstände ausgedrückt, so daß bei Gleichgewicht der Brücke ein vierter
Widerstand die Größe des spezifischen Energieverbrauchs anzugeben gestattet. Für
die in Abb. I dargestellten Wheatstonsche Brücke, die die vier Widerstände R1,R,
R3 und R4
enthält, gilt die Gleichgewichtsbedingung (Nullstellung
des Galvanometers M): R1 : R2 = R3 : R4 Die Widerstände können nun durch folgende
Funktionen dargestellt werden: R2 = , g R3 = c' # R4 = Cv wobei c und c' und cv
Konstanten darstellen. Diese Werte ergeben für den vierten Widerstand G-C 2 G C'
wenn man cv c C' und G=v.g setzt.
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Der spezifische Dampfverbrauch ist dann gegeben durch E Z = = C R1.
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Gw Sind also bei einem Trocknungsvorgang die drei den spezifischen
Energieverbrauch bestimmenden Größen E, g sowie v bekannt, dann kann man in einer
Brückenanordnung, in der die genannten Funktionen erfüllt sind, aus der Multiplikation
des Abgleitwiderstandes R1 mit einer Konstanten den spezifischen Energieverbrauch
errechnen oder bei einer entsprechenden Eichung des Widerstandes an einer Skala
den spezifischen Energieverbrauch direkt ablesen.
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Der an dem Widerstand R2 von Hand einzustellende Wert gW des je Meter
Trockengutes (gemessen in der Transportrichtung) aufzutrocknenden Wassers wird,
falls es sich um loses Gut handelt, auf Grund der Wägung einer oder in gewissen
Zeitabständen mehrerer der Maschine vor und nach der Trocknung entnommenen Materialmengen
ermittelt. Die Differenz des ungetrockneten Materialgewichts gegenüber dem getrockneten
Materialgewicht, bezogen auf 1 m Länge in Transportrichtung, stellt das Einheitsgewicht
g, des aufgetrockneten Wassers in kg/m dar. Die Messung von gTs gestaltet sich einfacher,
da hierbei lediglich das Metergewicht des Trockengutes vor bzw. nach der Trocknung
festgestellt zu werden braucht. Bei Trocknung eines auf größere Transportlänge in
sich zusammenhängenden Materials, z. B. bei Stoffbahnen, kommt zur Bestimmung von
gW die Ermittlung der Gewichte der gesamten Stoffbahn vor und nach der Trocknung
in Betracht, deren Differenz dann durch die Länge der Stoffbahn dividiert wird.
Für gTy ist wieder sinngemäß das Metergewicht der gesamten Bahn ungetrocknet bzw.
getrocknet maßgebend.
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Die Werte Go bzw. Ne, also E und v können an den Widerständen R,
und R4 ebenfalls von Hand eingestellt werden. Sie werden an entsprechenden Meßinstrumenten,
wie Dampfmengenmessern, Kondensatmengenmessern, elektrischen Leistungsmessern und
Geschwindigkeitsmessern (Tachometern), abgelesen.
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Es können auch einer der beiden oder beide Werte von dem zugehörigen
Meßinstrument selbsttätig auf R3 und R4 übertragen werden. Abb. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel
für die selbsttätige Übertragung des an dem Kondenswassermengenmesser I gemessenen
Dampfverbrauchs Go und der an dem Tachometer 2 gemessenen Transportgeschwindigkeit
v. Die Trockenmaschine stellt einen Zweletagenspannrahmen dar, bei dem der zu trocknende
Stoff 3 zwischen den Kluppenketten 4 gespannt in Pfeilrichtung durch den Trockenkasten
wandert. Die aus dem Raum durch den Schleuderradlüfter 6 gesaugte Trockenluft wird
durch den dampfbeheizten Lufterhitzer in den Trockenkasten 5 eingeblasen, den sie,
üblicherweise durch besondere Ventilatoren mehrfach umgewälzt, nach Aufnahme des
aufgetrockneten Wassers durch das Abzugsrohr 7 verläßt. Die Dampfzuleitung erfolgt
durch die Rohrleitung 8, der Abfluß des Kondenswassers durch die Rohrleitung 8'.
Die den Stoff 3 führende Kluppenkette wird durch den Motor 9 über die Walze 10 angetrieben
und erzeugt die Transportgeschwindigkeit v der Stoffbahn, die von dem durch die
Walze II angetriebenen Tachometer in bekannter Weise gemessen werden kann.
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Um den Wert v der Geschwindigkeit auf den zugehörigen Widerstand
R4 der Brücke zu übertragen, kann der Tachometer 2 mit dem Widerstand nach Abb.
3 derart gekuppelt sein, daß die Anzeigevorrichtung zugleich auch auf mechanischem
Wege den regelbaren Widerstand R4 entsprechend verstellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
besteht der Widerstand aus einem auf einem keramischen Ring 12 aufgewickelten Widerstandsdraht,
dessen eines Ende an die Anschlußldemme 13 führt. Die mit der Anzeigevorrichtung
kraftschlüssig in Verbindung stehende Welle trägt an dem metallischen Arm 15 eine
auf der Widerstandswicklung schleifende Kontaktbürste I6. Zwischen den Anschlußklemmen
I3 und I7 ist somit ein mit der Drehung der Welle 14 veränderlicher Widerstand eingeschaltet,
der bei vollkommen gleichmäßiger Bewicldung voraussetzt, daß der Drehwinkel der
Welle 14 innerhalb des gewünschten Meßbereichs proportional der Geschwindigkeit
v ist, damit die Beziehung R4= Cv V erfüllt ist.
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Zur selbsttätigen Übertragung der Geschwindigkeit auf den Brückenwiderstand
R4 können im übrigen auch andere geeignete Einrichtungen der Maschine Verwendung
finden. Beispielsweise kann auch der Widerstandsgeber bei Leonardantrieb der Maschine
mit dem Leonardregler, durch den bekanntlich die Drehzahl des Antriebs proportional
der Ankerspannung verändert wird, mechanisch direkt gekuppelt werden, wobei ebenfalls
innerhalb des gewünschten Meßbereichs bei Ringwicklung des Widerstandes der Drehwinkel
des Widerstandsabgriffs proportional v sein muß; andernfalls muß diese Bedingung
durch ein
geeignetes Hilfsmittel, wie Kurvenscheibe od. dgl., erfüllt
werden.
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Wie der Widerstand R4 mit einem Tachometer kann auch der Widerstand
R3 mit dem Dampf- oder Kondensatmengenmesser I derart zusammengebaut sein, daß eine
zwangsläufige Einstellung des Widerstandes R2 durch die Meßeinrichtung des Mengenmessers
erfolgt.
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In dem Ausführungsbeispiel Abb. 2 ist ein Kondensatmengenmesser, der
gleichzeitig die Funktion eines Kondenswasserabscheiders (Kondenstopf) erfüllt,
angedeutet.
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Es besteht nun bei Kondenswasserabscheidern mit Schwimmer die Möglichkeit,
die Einrichtung zur Regelung des Ablaufs des Kondenswassers dazu zü benutzen, die
Menge des ausffießenden Kondenswassers zu messen, wie das Ausführungsbeispiel nach
Abb. 4a zeigt. Die ausfließende Wassermenge und somit der Dampfverbrauch Gn ist
eine Funktion der Höhenlage des Schwimmers. In dem Ausführungsbeispiel nach Abb.
4a erfolgt der Zufluß des Kondenswassers durch den Stutzen I8 in Pfeilrichtung.
Der Schwimmer 19 ist an der senkrecht beweglichen Stange 20 festgemacht, deren oberes
Ende durch die Stopfbuchse 21 und deren unteres Ende in einer im Boden des Gefäßes
eingeschraubten Hülse 22 geführt wird. Diese enthält nun die Öffnung für den Ausfluß
des Wassers in Pfeilrichtung, die von dem unteren Ende der Stange 20 je nach der
Höhenlage des Schwimmers 19 mehr oder weniger verändert wird.
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Während in Abb. 4a die Ausflußöffnung längs ihrer größten Höhe H geschnitten
dargestellt ist, zeigt Abb. 4b die Ansicht der Öffnung; der unterste Punkt der Öffnung
der Hülse liegt an der Sohle des Gefäßes.
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In der gezeichneten Höhenlage des Schwimmers ist die Höhe des Ausflußquerschnittes
h, wobei der über h liegende Teil der Öffnung der Hülse überdeckt ist. Die durch
den nicht verdeckten Querschnitt tretende Wassermenge Go ist, konstante wirksame
Druckhöhe vorausgesetzt, lediglich eine Funktion von h. Man kann nun die Form der
Öffnung so ausbilden, daß die ausfließende Wassermenge Go proportional mit der Höhe
H der Schwimmerlage zunimmt, also Go = C h ist, worin c eine Konstante darstellt.
Die Ausbildung der Öffnung nach dieser Beziehung ist dann erforderlich, wenn für
die Übertragung des Wertes von Go auf die Brücke ein gleichmäßig ausgebildeter Schiebewiderstand
R2 gewählt wird. Dieser ist auf dem Deckel des Gehäuses beispielsweise als zylindrisch
ausgeführter Widerstand derart angeordnet, daß er durch einen an der Schwimmerstange
20 befestigten Schleifkontakt 23 abgegriffen wird. Ist das untere Ende des Widerstandes
an die Klemme 24 angeschlossen und der Halter 25 des Schleifkontaktes 23, der über
die flexible Leitung 26 an die Klemme 27 angeschlossen ist, an der Schwimmerstange
20 so eingestellt, daß bei h = O der abgegriffene Widerstandswert Rs = O ist, dann
ist für eine Öffnungshöhe k der abgegriffene Widerstandswert cs h, folglich, da
k -Go. t R ss3 GD-DieBedingungRs = CD R GD 0 0 ist damit also erfüllt.
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Die in den Ausflußstutzen 29 hineinragende Verstellschraube 31 gestattet,
den Abfluß des Wassers auf die bei einer bestimmten Schwimmerlage vorgeschriebene
Menge einzustellen. Die jeweils ausfließende Menge läßt sich aus der Differenz der
Anzeigen der Manometer 28 und 30 ermitteln. Das Manometer 28 zeigt den statischen
Druck der über ihm befindlichen Wassersäule und damit die Lage des Schwimmers an.
Das Manometer 30 mißt die Summe des statischen Druckes der im Behälter befindlichen
Wassermenge und des dynamischen Druckes der ausfließenden Wassermenge. Die Differenz
beider Anzeigen ergibt unter Berücksichtigung einer durch den Höhenunterschied beider
Manometer bedingten Konstanten den dynamischen Druck als einen Druckhöhenverlust
für sich allein und ist ein Maß für die ausfließende Wassermenge.
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Ein besonderer Vorteil bei elektrischer Beheizung mit Antrieb der
Lüfter durch Elektromotoren gleicher Stromart und Spannung liegt gemäß Abb. 5 in
der Möglichkeit, durch den Leistungsmesser den Leistungsbedarf der Lüfter M' gleichzeitig
mitzumessen, so daß dann der ermittelte spezifische Energieverbrauch in diesem Falle
außer der Heizung Lt auch den Kraftverbrauch der Lüfter berücksichtigt. Abb. 5 zeigt
eine Meßanordnung, bei der die elektrische Leistung an dem Leistungsmesser in Kilowatt
gemessen und von Hand am Widerstand Ne eingestellt wird. Die nicht selbsttätige
Übertragung des Leistungswertes vom Leistungsmesser (kW) auf den Widerstand N, der
Brücke ist dann entbehrlich, wenn während der Messung der von einem Leistungsmesser
angezeigte Energieverbrauch konstant ist, so daß Ne einmalig einzustellen ist und
dann zum Abgleich der Brücke nur Z von Hand verstellt zu werden braucht.
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Es gibt auch Trockenmaschinen, in denen das Trockengut nicht in kontinuierlichem
Arbeitsgang, sondern von Zeit zu Zeit zugeführt und in gleich großer Menge wieder
abgeführt wird. Hierbei wird das Trockengut meist in besonderen, einander gleichen
Behältern (Wagen, Horden od. dgl.) eingefüllt, die durch eine Offnung in die Maschine
eingeschoben und durch eine andere Öffnung wieder herausgeschoben werden. Abb. 6
zeigt eine derartige Trockenmaschine in der Ausführung eines Kanaltrockners, wie
er zum Trocknen von Wolle, Gemüse u. dgl. Verwendung findet. Die einzelnen Wagen
werden von links oder rechts, je nachdem ob man im Gleichstrom oder Gegenstrom der
Luftbewegung trocknen will, in den Kanal eingeführt. Werden die Wagen mit Trockengut
stets gleicher Beschaffenheit beladen und sind auch die sonstigen Trocknungsverhältnisse,
wie angesaugte Luftmenge, Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt derselben usw. konstant,
dann wird in gleichen Zeitabständen ein Wagen nach dem anderen eingeschoben'und
dafür je ein anderer mit getrockneter Ware herausgeschoben werden müssen, wenn die
Ware immer denselben Trocknungsgrad besitzen soll. Bei diesen Trockenmaschinen ist
also keine konstante Transportgeschwindigkeit v vorhanden, sondern der Füllungswechsel
(Taktzahl) n in der Zeiteinheit bestimmt die Trockenleistung der Maschine. Zweckmäßig
bezieht man n ebenfalls auf die Minute. Enthält jeder Wagen ein Trockengutgewicht
g>', besogen auf den getrockneten bzw. ungetrockneten Zu-
stand,
dann ist die minutlich getrocknete Trockengutmenge: GIL = gTpl n (kglmin).
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Der Wert n der Taktzahl ist zur Bestimmung von Z in entsprechender
Weise wie die Geschwindigkeit v am Widerstand R4 der Brücke einzustellen. Da jedoch
im Gegensatz zur Geschwindigkeit v die Taktzahl n nicht ohne weiteres durch ein
Instrument gemessen werden kann, wird die Einstellung des Wertes n zweckmäßig nur
von Hand vorzunehmen sein. Es ergibt sich dann beispielsweise bei selbsttätiger
Übertragung des Dampfverbrauchs GD auf die Brücke eine Meßanordnung nach Abb. 7.
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Der Abgleich der Brücke auf Nullstrom des Meßinstrumentes M erfolgt
durch den Widerstand Z bei den Meßanordnungen der Abb. 2, 5 und 7 von Hand, der
Abgleich kann auch durch eine selbsttätige Kompensationseinrichtung erfolgen, die
den Widerstand Z laufend so verändert, daß das Abgleichinstrument M stromlos ist.
Da hierbei der Wert Z an einer Skala des Widerstandes abgelesen werden müßte, wird
man zweckmäßigerweise dem Widerstand Z einen Spannungsmesser parallel schalten,
an dem man dann bei entsprechender Eichung den spezifischen Energieverbrauch direkt
ablesen kann. Hierdurch ist der Vorteil gegeben, den Spannungsmesser von der eigentlichen
Brücken an ordnung entfernt unterzubringen.
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PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zum Messen des spezifischen Energiebedarfs
von Trockenmaschinen, gekennzeichnet durch die Anwendung einer elektrischen Widerstandsmeßbrücke,
deren Widerständen folgende Werte zugeordnet sind: R2=L, R3=CI'E, R4 =Cv g E so
daß der Wert des vierten Widerstandes R1 = G.C ein Maß für den spezifischen Energiebedarf
abgibt, wobei g das Gewicht der entzogenen Flüssigkeit oder des getrockneten Gutes
je Meter Bahn, G das Gewicht des in einer bestimmten Zeit getrockneten Gutes, E
der Betrag der aufgewandten Energie, v die Durchsatzgeschwindigkeit des Trockengutes
und C, CV, C'und C = v, Konstante bedeuten.