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Einrichtung zur Erzeugung und Regelung von Druckgas aus chemischen Reaktionen.
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sonst trotz der an sich richtig-eingestellten Reaktionsgeschwindigkeit der chemischen Substanzen das erstrebte Gesamtzeitdruckdiagramm im arbeitenden Apparat in der Praxis nicht erreicht werden kann.
Es ist z. B. selbstverständlich, dass dieses Zeitdruckdiagramm bei sonst gleichen chemischen Substanzen schwanken müsste, wenn die Einleitung der Reaktion verschieden intensiv ausfällt oder wenn in einem Reaktionsbehälter verschieden hohe, auf die Reaktionsgeschwindigkeit und die erste Ausbreitung der Reaktion in der Masse zurückwirkende Innendrucke entstehen können, ehe der Behälter sich öffnet und die Gase in den von ihnen zu betreibenden Apparat austreten lässt, oder wenn das Fortschreiten der Reaktion durch die Reaktionsmasse dadurch unregelmässig wird, dass für die Wegräumung von Reaktionsrüekständen, Schlacken usw. nicht in ganz bestimmter Weise vorgesorgt wird.
Für die bekannten andersgearteten patronenartigen Behälter von Schiesspulvern spielen diese Unterscheidungen nicht nur wegen ihres andern Verwendungszweckes keine Rolle, sondern auch weil dort die Reaktionen ziemlich adiabatisch verlaufen und momentan die gesamte Reaktionsmasse auf einmal erfassen.
Als Gasdruck erzeugende nichtexplosive Reaktionen nach der Erfindung kommen z. B. in Betracht nasse Reaktionen, wie die Umsetzung von Carbonaten mit Säuren. Wenn man beispielsweise zylindrische Presskörper aus einem Carbonat, einem Gemisch eines Carbonates und eines Bicarbonates und aus einem Gemisch eines Carbonates mit einer zur Neutralisierung des Carbonates nicht ausreichenden Menge einer festen Säure, z. B. Oxalsäure, erzeugt und diese in einer bestimmten Reihenfolge in eine patronenartige Hülse einschliesst, die ihrerseits mit einem beliebigen, von aussen zu betätigenden Verschluss versehen ist, und wenn man dann auf den Querschnitt dieser Presskörper eine ausreichende Menge einer Säure, z.
B. verdünnte Schwefelsäure, einwirken lässt, so wird man eine
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des Bicarbonates stärker, bei der des bereits mit einer feingepulverten festen Säure teilweise versetzten
Quantums am stärksten sein wird und ausserdem z. B. durch die später erwähnten durchbrochenen Trennungswände und durch Formgebung noch weiter beeinflusst werden kann.
Um die Erfindung in ihren Einzelheiten zu verdeutlichen, werden jedoch als Beispiel Gasdruck erzeugende Massen, z. B. nach Patent Nr. 101023, zugrunde gelegt, welche unter Ausschluss einer Explosibilität ohne Berührung mit dem Luftsauerstoff verbrennen. Die hiebei erläuterten Grundsätze gelten mit entsprechenden Umformungen auch für andere chemische Reaktionen.
Bei diesen nichtexplosiblen Gasdruck erzeugenden brennbaren Massen ist bereits eine gewisse Regulierbarkeit der Reaktionen durch die Patentschrift Nr. 101023 bekanntgeworden, jedoch nur in dem Sinne, dass ein Rückfall der ursprünglich, explosiblen Massen in den Bereich einer erneuten Explosibilität während der Reaktion-z. B. durch einen übermässigen unbeabsichtigten Druck infolge von Verstopfung der Apparate-vermieden wird.
Nicht bekanntgeworden sind jedoch Behälter, in denen sich nichtexplosive Gasdruck erzeugende Massen befinden, bei denen die Geschwindigkeit der Gasdruckerzeugung so eingestellt und durch die Gesamtanordnung der Reaktionsmasse und des an der Regelung mitwirkenden Behälters und seiner Teile gesichert ist, dass ein bestimmtes Zeitdruckdiagramm erhalten wird, welches einem günstigen Diagramm des Energieverbrauches in dem betriebenen mechanischen System entspricht.
Eine weitgehende Regulierung der Reaktionsgeschwindigkeiten der brennbaren, nichtexplosiblen Gasdruck erzeugenden Massen kann man erreichen, wenn man nach bereits erfolgter Beseitigung der Explosibilität und über das hiefür erforderliche Mass hinaus die Konzentration derjenigen Bestandteile ändert, welche die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen, beispielsweise also, indem man zersetzliches Oxalat oder Carbonat zusätzlich hinzufügt, welche zwar für den Verbrennungsvorgang inert sind, aber dem System durch Dissoziation innere Energie entziehen und zugleich die. Gesamtausbeute an Gas erhöhen. Weiterhin kann man die Reaktionsgeschwindigkeit durch beschleunigende oder verzögernde Katalysatoren im ganzen oder bei Teilquanten beeinflussen, beispielsweise indem man der brennbaren Substanz einen kleinen Prozentsatz von Cernitrat beifügt.
Auch die Veränderung des Pressungsgrades, mit dem Körper bestimmter Form aus derartigen Massen erzeugt werden, führt zu einer Veränderung der Reaktionsgeschwindigkeit. Eine weitere Möglichkeit der Regelung der Gaserzeugungsgeschwindigkeit besteht darin, dass man die Reaktionsmasse aus Teilen zusammensetzt, bei welchen als Ausgangsmaterial für die nachfolgende Regelung Substanzen verschiedener Reaktionsgeschwindigkeit benutzt werden.
Beispielsweise könnte man für die Beseitigung der Explosibilität und die darüber hinausgehende Regelung ausgehen einmal von einem relativ rasch brennenden Schwarzpulver und ein andermal von einem substituierten langsamer brennenden Pulver, etwa vom Typ der Haloelasticpulver. Weiterhin kann man die Gasdruckerzeugungsgeschwindigkeit derartiger Massen dadurch beeinflussen, dass man ihre chemische Zusammensetzung oder ihre äussere Form ändert. Baut man eine Gesamtreaktionsmasse z.
B. aus mehreren gepressten Teilen, von denen der eine als ein die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussendes Mittel ein zersetzliches Oxalat, der andere ein zersetzliche Carbonat, der dritte ein Gemisch von Oxalat und Carbonat enthält, so werden aus dem Oxalat zwei Molekül Gas, aus dem Carbonat ein Molekül und aus dem Gemisch beider ein Zwischenwert entstehen, die sich in der Form des erhaltenen Gasdruckdiagrammes auswirken.
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Mechanische Mittel zur Beeinflussung der Gaserzeugungsgesehwindigkeit durch Formgebung der Masse sowie durch Zwischenwände zwischen einzelnen Teilen der Masse mit Durchlassöffnungen von bestimmter Lage und Grösse werden an Hand der Zeichnung erläutert.
Sorgt man an dem Behälter oder bei einem Teil davon oder bei der Reaktionsmasse selbst für eine erhöhte Anstauung oder Abfuhr der Reaktionswärme, so findet die Reaktion in der betreffenden Zone in einem veränderten Temperaturbereich und somit mit einer vergrösserten oder verkleinerten Geschwindigkeit statt. Für Wärmeanstauung dient beispielsweise eine isolierende Umhüllung aus Asbest ; erhöhte Wärmeabfuhr kann man z. B. durch eine Umhüllung mit einer Flüssigkeit oder mit einem stark kristallwasserhaltigen Stoff, wie Alaun, bewirken.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele schematisch wiedergegeben. Fig. 1 zeigt eine Masse von veränderlichem Querschnitt, Fig. 2 das dadurch erzeugte Druckdiagramm, Fig. 3 im Schnitt eine Masse mit ineinander angeordneten Teilen, Fig. 4 einen Teil des Behälters mit der Masse und mit gelochten Trennwänden, Fig. 5 einen Teil des Behälters mit der Masse mit verschiedenen inneren Hohlräumen, Fig. 6 einen Querschnitt durch den Ladungsbehälter mit einer Masse und einem Hohlraum zwischen Masse und Behälter. Die Fig. 7-10 zeigen besondere Ausführungsformen der gesamten Einrichtung im Schnitt. Fig. 11 ist ein Längsschnitt eines Teiles des Behälters, der teilweise mit kugelförmig gepressten Massen angefüllt ist.
Fig. 1 zeigt den Aufbau der Reaktionsmasse aus den teils konischen, teils zylindrischen Teilen a,
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zwingt, so ergibt sich der zeitliche Verlauf der Gaserzeugung etwa nach Fig. 2, wobei die Wahl der Steigung der Konusse ein besonders einfaches und präzises Regulierungsmittel sowohl zur Verlangsamung wie zur Beschleunigung darstellt.
Fig. 3 zeigt die Anordnung der Reaktionsmasse al in der Reaktionsmasse < und die beide trennende Isolation u. Die Reaktion wandert beispielsweise im Sinne der gezeichneten Pfeile durch die Reaktionsmasse. Natürlich können so ineinander gesetzte Teile auch gleiche Querschnittgrössen und gleiche oder verschiedene Reaktionsgeschwindigkeiten haben. Die Zahl der Variationen und damit der Regulierungsmöglichkeiten ist ausserordentlich gross.
In Fig. 4 ist ein Stück aus einer grösseren Reaktionsmasse wiedergegeben. a sind die verschiedenen gepressten Teile der Reaktionsmasse von gleicher oder verschiedener Reaktionsgeschwindigkeit, b ist der Behälter, c sind Trennungswände, beispielsweise aus Asbestpappe, d sind verschieden gelagerte und verschieden grosse Löcher in diesen Wänden, durch die die Reaktion zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt und mit einer ganz bestimmten Intensität übertritt.
Fig. 5 zeigt einen Teil aus einer grösseren Reaktionsmasse, bei der die einzelnen Teile a, ai, a2, N3 und a4 mit Löchern von verschiedenem Durchmesser gepresst sind. Dadurch werden im Innern wohldefinierte Hohlräume gebildet, deren Begrenzungsfläche sowohl die Oberfläche, auf der die Reaktion stattfindet, wie deren Fortschreiten durch die Masse bestimmt. Zugleich geben diese Hohlräume den Reaktionsruckständen und Schlacken Raum frei, verhindern reaktionsstörende Verstopfungen und sichern den Abfluss der Reaktionsgase.
Derartige Hohlräume, die zugleich auch für die Einleitung der Reaktion nutzbar gemacht werden können, können auch seitlich bzw. ausserhalb der Reaktionsmasse liegen. In Fig. 6 ist a die Reaktionsmasse, b die Behälterwand, c eine eingelegte Wand, welche die Reaktionsmasse begrenzt und den Hohlraum h freilässt. In dieser Wand können Öffnungen d sein, die mit leicht zerstörbarem Material, z. B.
Papier, verschlossen sein können und die die Reaktionsgase nach Zerstörung der Verschlüsse in den Hohlraum und durch diesen aus dem Behälter entlassen.
Die Hohlräume können auch noch andern Zwecken dienen. Beispielsweise können sie, besonders wenn sie klein sind, mit einem rasch reagierenden, von dem Hauptquantum verschiedenen Material gefüllt sein, z. B. einem nichtbrisanten Schwarzpulver, welches dazu geeignet ist, rasch Toträume usw. in der betriebenen Apparatur auszufüllen, während seine Menge nicht ausreicht, die eigentliche Reaktionsmasse, die auch noch durch Abstand oder ein dämpfendes dünnes Ölpapier geschützt sein kann, in eine zu heftige Reaktion zu treiben. Die eigentliche regulierte Energie wird von der Hauptreaktionsmasse geliefert, für die die vorgesehenen Hohlräume dann bereits frei geworden sind.
Auch können die Hohlräume dazu dienen, die Einleitung der Reaktion, z. B. die Entzündung der Reaktionsmasse, durch sie hindurch vorzunehmen. Definierte Hohlräume ausserhalb der Reaktionsmasse dienen ferner dazu, der Flamme der Reaktion einen gewissen Entwicklungsraum zu geben und in dem Behälter einen gewissen Gasvorrat anzusammeln, bevor der Behälter sich öffnet und die Reaktionsmasse in den zu betreibenden Apparat entweichen lässt. Hiedurch wird die Sicherheit und die Elastizität der Funktion erhöht. In der Praxis werden die ausserhalb der Reaktionsmasse liegenden Hohlräume zweckmässig genau festgelegt durch Abschlussseheiben m (Fig. 7) aus durchbrochenem oder leicht zerstörbarem Material, z. B. Papier, und durch Distanzierungsglieder 1, die den Abstand von den Behälterwandungen bzw.
Austrittsöffnungen für die Reaktionsgase festlegen. Derartige
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Reaktion weit genug fortgeschritten ist, um sich selbst in Gang zu halten. Die Distanzierungsglieder 1 bestehen gewöhnlich aus Blechstreifen.
Für den Ablauf der Reaktion und die Reproduzierbarkeit ihres Diagrammes ist die Intensität (z. B. Temperatur, Druck usw. ), mit der die Reaktion eingeleitet wird, sowie die Grösse und Lage der Stelle, an der die Reaktion beginnt, von grosser Wichtigkeit. Deshalb ist die Stelle der Reaktionseinleitung so zu wählen, dass dadurch der Weg und das Fortschreiten der Reaktion durch die Masse in der beabsichtigten Weise sichergestellt sind. Man wird daher vorzugsweise eine an Stelle mehrerer Einleitungsstellen wählen und die Reaktionsmasse besser senkrecht als tangential beispielsweise von der Zündflamme treffen lassen. Die sicherste Entzündung und die bestdefinierten Diagramme erhält man, wenn man die Verbrennungsreaktion an einer Kante beginnen lässt.
Auch der Austritt der Reaktionsgase aus dem Behälter bedarf einer Regulierung, die für jeden besonderen Fall leicht durch einige Versuche ermittelt werden kann. Von der Stärke des Innendruckes, der erforderlich ist, um den Behälter der Reaktionsmasse zu öffnen, z. B. indem eine Reissfolie zerreisst oder ein unter Federdruck stehender Verschluss bekannter Art geöffnet wird, und von dem Volumen, das den Gasen innerhalb des Ladungsbehälters zur Verfügung steht, hängt es ab, an welchem Punkte der Reaktion die erste Expansion der Reaktionsgase in den zu betreibenden Apparat stattfindet. Der Verschluss muss mindestens so stark bemessen sein, dass er sich erst öffnet ; wenn die Reaktion bereits eine solche Stärke erreicht hat, dass sie durch die entstehende Expansion nicht mehr zum Aufhören gebracht werden kann.
Anderseits wird durch die Festigkeit des Verschlusses nicht nur der Beginn des Arbeitsdiagrammes im betriebenen Apparat bestimmt, sondern es wird auch das innere Reaktionsdiagramm im Behälter der chemischen Reaktionsmassen durch die- Rückwirkung des Druckes auf die Reaktionsgeschwindigkeit in seinem weiteren Ablauf beeinflusst. Ähnlich können Stauungen und überhaupt ein leichter oder schwerer Abfluss der Reaktionsgase aus dem Behälter der Reaktionsmassen wirken.
Die Austrittsöffnungen aus dem Behälter in den zu betreibenden Apparat werden am besten nach aerodynamischen Grundsätzen in der Richtung des geringsten Strömungswiderstandes ausgestaltet.
Gegenüber dem Betrieb von Apparaten mit komprimierten Gasen in Stahlflaschen spart man nach der Erfindung die schweren und gefährlichen Stahlflaschen mit ihren schwierig dicht zu haltenden und schwer zú öffnenden Verschlüssen, man erspart auch die allmählichen Verluste durch unvermeidliche Undichtigkeiten, da eine Reaktion nur im Momente des Gebrauches eintritt. Da man den betriebenen Apparaten bereits aus der chemischen Reaktion heraus die erforderliche Energie in der richtigen Form zuführt, erhält man einerseits eine optimale Funktion und spart anderseits die jetzt üblichen mechanischen Mittel zur Regulierung der Energiezufuhr, wie Übersetzung, Untersetzungen, Dosierungsund Reduziervorrichtungen usw.
Wie wichtig eine der Form des Energieverbrauches entsprechende Erzeugung der Gasdruckenergie ist, soll nur an zwei Beispielen kurz erläutert werden. Wenn ein grosses Sprinklersystem mit einem annähernd konstanten Strahl entleert werden soll, so ist es im allgemeinen erforderlich, rasch den nötigen Betriebsdruck zu erreichen, ihn eine Weile aufrechtzuerhalten und ihn abnehmen zu lassen gemäss dem Abnehmen der zu bewegenden Flüssigkeit bei fortschreitender. Entleerung. Ein solches Zeitdruckdiagramm lässt sich nach der Erfindung durch Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit der Druck erzeugenden Masse leicht bewirken, während bisher die Möglichkeit zur geregelten Erzeugung grosser Gasvolumina nicht bestanden hat.
Betrachtet man weiterhin beispielsweise eine Notbremse nach dem Prinzip der Luftdruckbremsen, um beispielsweise einen infolge Seilrisses abstürzenden Förderkorb aufzufangen, so wird je nach der Konstruktion der entsprechenden Fangvorrichtung gewöhnlieh ein Zeitdruckdiagramm erforderlich sein, in welchem zur raschen Überwindung der Toträume ein relativ kleines Quantum Gas sehr rasch entwickelt werden muss. Danach muss der Druck zwecks verhältnismässig langsamen Verzehrens der nach abwärts gerichteten Energie langsam anwachsen und auf einer gewissen Höhe konstant gehalten werden und danach nochmals anwachsen, um den bereits zum Stillstand gekommenen Korb in seiner Lage definitiv festzuhalten.
Durch die Anwendung von Behältern mit Reaktionsmassen, insbesondere mit nichtexplosiven abbrennbaren Reaktionsmassen von genau regulierbarer Reaktionsund Gasentwicklungsgesehwindigkeit, lässt sich Gasdruck in derartiger Form sehr einfach erzeugen.
Die mechanische Konstruktion wird hiebei durch die Ersparung der bisher üblichen mechanischen Hilfsmittel zur Regelung und Anpassung des Gasdruckes sehr billig, einfach und zuverlässig.
In Fig. 7 ist ein Behälter nach der Erfindung mit einer Ladung als Beispiel einer Gesamtanordnung dargestellt. in ein zuerst zur Reaktion kommendes Teilquantum, welches in diesem Beispiel eine wesentlich höhere Verbrennungsgeschwindigkeit haben mag als die andern Teile der Reaktionsmasse, um schnell die Toträume des zu betreibenden Apparates zu füllen und den Arbeitsvorgang einzuleiten.
Daran schliesst sich die Reaktionsmasse a2, welche eine geringere Reaktionsgeschwindigkeit hat und dazu dient, den eigentlichen Arbeitsdruck im zu betreibenden Apparat zu erzeugen. Hieran schliesst sich die Reaktionsmasse a3, welche wiederum eine andere Gasentwicklungsgeschwindigkeit haben
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mag, um den während des Betriebes sich ändernden Anforderungen des Energieverbrauches im betriebenen Apparat zu entsprechen.
Die Reaktionsmassen a2 und a3 sind durch die Trennungswand c mit der Durchtrittsöffnung d voneinander getrennt und ausserdem ist der Hohlraum h in der Reaktionsmasse a3 durch die Isolation Cl geschützt. b stellt den Reaktionsbehälter dar, in dessen Boden sich zur Einleitung der Reaktion beispielsweise das Zündhütchen/befindet, u. zw. versenkt zum Schutze gegen unbeabsichtigte äussere Einwirkung.
Der Hohlraum h verengt sich an seinem oberen Ende und enthält beispielsweise leicht brennbare, wenig Gasdruck liefernde Substanzen g, welche das Feuer des Zündhütchens auf die Reaktionsmasse al übertragen, u. zw. in erster Linie auf die leicht entzündliche genau definierte Kante des Loches in dieser Masse. m ist ein leicht zerstörbares Kartonblatt, welches zunächst die Entzündung bei der Masse al zusammenhält und dem Distanzglied 1, das ein Blechstreifen sein kann, als Auflage dient, wobei dieses Distanzglied den äusseren Hohlraum zwischen Behälter und Reaktionsmasse bestimmt.
k1 ist beispielsweise eine Ausführungsform eines Verschlussdeckels mit gleichfalls zum Schutze gegen äussere Beschädigung versenkter Öffnung i, welche durch die aufgelötete Bleehfolie n von ganz bestimmter Zerreissungsstärke verschlossen ist. Der beispielsweise leicht konische Deckel kann mit etwas Lack gas-und flüssigkeitsdicht eingepresst werden. Auf ihn kann eine Siebplatte o zum Schutz der Austrittsöffnung und zur gleichmässigen Verteilung der austretenden Gase liegen.
Deckel k Siebplatte 0 und bei richtiger Dimensionierung auch die Reaktionsmasse a"a"a, und die Distanzierungsglieder I können in ihrer Lage durch einen einzigen Pressdruck festgehalten werden, indem die Wand des Behälters b nach innen umgebörtelt wird.
Fig. 8 zeigt beispielsweise einen Teil des Behälters einer ähnlichen Anordnung mit einer doppelten Wandung, deren Zwischenraum mit einer Wärme verzehrenden Masse p ausgefüllt ist, beispielsweise mit Natriumcarbonat, welches ausserdem zusätzlichen Gasdruck liefert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Zündhütchen t durch ein darübergelegtes Metallband q mit der Öffnung r geschützt, welches nur einen Schlagstift von ganz bestimmter Form hindurchlässt und somit eine unbeabsichtigte Funktion ausschliesst. Überhaupt lassen sich empfindliche Teile bei der Austrittsöffnung der Reaktion in einfacher Weise durch Schutzglieder, die mit dem Behälter bei der Herstellung festverbunden werden, gegen Beschädigung oder unbeabsichtigte Inbetriebsetzung schützen.
Fig. 9 ist eine andere Anordnung eines etwa aus zwei verschraubbaren Teilen b und bekannter Art bestehenden Behälters, der durch die kompakte Reaktionsmasse ganz ausgefüllt ist. Die Zündung erfolgt durch den Abreisszünder f, der Gasaustritt erfolgt zunächst durch diesen und später auch noch durch die mit Schmelzverschluss versehene Öffnung i. Einleitung der Reaktion und Austrittsöffnung liegen in diesem Beispiel auf derselben Seite des Behälters.
Bei der Anordnung nach Fig. 10 hat die durch den elektrischen Zünder t in Betrieb gesetzte Reaktionsmasse a,-ct, keine inneren Hohlräume, wohl aber definierte äussere Hohlräume h. Die Führung der Reaktionsgase findet in der Richtung der Pfeile nach der Austrittsöffnung o statt, welche hier düsenartig gestaltet ist. Ausserdem ist dargestellt, wie ein derartiger Behälter mit seiner Reaktionsmasse in einen zu betreibenden Apparat eingeführt sein kann. s ist beispielsweise eine unter einen Flansch der Patrone gelegte Packung und t ist ein Lager in dem zu betreibenden Apparat für den Behälter.
Statt die Reaktionsmasse als Ganzes in Formstücke zu pressen, kann man sie auch zerkleinert und insbesondere zu Tabletten, Kugeln gepresst usw. in den entsprechend geformten Behälter oder in entsprechende Unterbehälter einfüllen und darin in Schichten anordnen. Fig. 11 zeigt beispielsweise einen Teil des Behälters im Längsschnitt, der teilweise mit einer massiven Masse al, aber teilweise auch mit in Schichten angeordneten, zu Kugeln gepressten Massen angefüllt ist. Die Masse a2 besteht nach dem Ausführungsbeispiel aus grösseren Kugeln wie die Masse a3. Die einzelnen Schichten sind wieder voneinander durch isolierende Zwischenlagen o getrennt, die durch die fortschreitende Reaktion zerstört werden.
Da die Schichten aus Kugeln verschiedenen Durchmessers bestehen, sind in ihnen die reagierenden Oberflächen und die dazwischen befindlichen Hohlräume verschieden gross.
Teile verschiedener Querschnittsgrösse kann man statt hintereinander auch ineinander anordnen, wobei sie meist gegeneinander isoliert werden müssen.
In den beschriebenen Behältern lassen sich auch Stellen geringerer Widerstandsfähigkeit anbringen, beispielsweise, indem man eine Wandstelle durch Abschleifen oder durch Furchen leichter zerreissbar macht, so dass der Behälter mit wachsendem Druck an dieser Stelle aufreissen muss, wenn sein normaler Verschluss aus irgendeinem Grunde nicht funktioniert.
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