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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermischen von Wasser und
geschroteten Zerealienrohstoffen für die Bierherstellung. Eine
solche Vorrichtung wird auch als Vormaischer bezeichnet.
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In
einem Teilprozess der Bierherstellung, dem so genannten Einmaischen,
wird geschrotetes Malz oder Zerealien mit Wasser zu einer Maische vermischt.
Während
des anschließenden
Maischprozesses werden verschiedene enzymatische Reaktionen aktiv,
die das Schrot in gewünschter
Weise in lösliche
Bestandteile aufschließen.
Eine wichtige Teilreaktion ist der Aufschluss der Stärke in verschiedene lösliche und
vergärbare
Arten von Zuckern. Eine zweite wichtige Reaktion ist die Spaltung
von hochkettigen Proteinen in lösliche
kurzkettige, die unter anderem für
den Bierschaum erforderlich sind.
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Für alle wichtigen
Reaktionen des Maischprozesses ist eine homogene Vermischung der
geschroteten Feststoffe mit Wasser notwendig, da alle Reaktionen
in der erforderlichen Geschwindigkeit und Güte nur in wässriger Lösung stattfinden können.
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Ziel
des Vormaischprozesses ist deshalb die möglichst innige und homogene
Vermischung von Schrot und Wasser, wobei sowohl eine Klumpenbildung
als auch das Freiwerden von Mehlstäuben vermieden werden soll.
Bei der Bildung von Klumpen entstehen im Inneren trockene Bereiche,
in denen die gewünschten
Maischereaktionen nur vermindert ablaufen. Nicht niedergeschlagene
Mehlstäube
führen zudem
zu Staubniederschlägen
und Verklebungen in den Maischegefäßen und deren Einbauten. Derartige Stärkeniederschläge sind
zum einen schwer zu reinigen zum anderen bilden sie ideale Keimherde
für mikrobiologische
Bierschädlinge.
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Das
Problem der Staubbildung besteht insbesondere bei Schroten mit hohen
Feinanteilen wie zum Beispiel bei Pulverschroten, die bei Verwendung von
Hammermühlen
entstehen.
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Für diesen
Mischprozess werden so genannte Vormaischer eingesetzt, die auf
verschiedene Arten das Vermischen der beiden Phasen bewirken sollen.
Das Schrot wird hierbei meist von oben durch ein Fallrohr in beziehungsweise
durch die Mischvorrichtung geführt.
Das Wasser wird hierbei entweder von außen radial nach innen, von
innen radial nach außen
oder in Kombination beider Richtungen geführt. In allen diesen Vorrichtungen
muss das Wasser eine gewisse Tiefe in den fallenden Schrotstrom
eindringen, um das gesamte herabfallende Schrot zu benetzen. Um
eine ausreichende Durchmischung sicherzustellen ist deshalb in allen
bekannten Vorrichtungen eine gewisse Mindestaustrittsgeschwindigkeit des
Wassers erforderlich, um den notwendigen Mischimpuls beider Massenströme zu erzielen.
Hieraus resultiert ein Mindestmassenstrom für das Maischwasser, um die
erforderliche Durchmischung sicherzustellen. Die Obergrenze für den Wasserdurchsatz resultiert
aus dem Druckverlust der jeweiligen Mischvorrichtung. Diese beiden
Betriebsgrenzen schränken
den Leistungsbereich eines Vormaischers bei jeweils gewählten Querschnittsflächen für den Wasserdurchsatz
ein. Die Durchsatzmengen in den Schrotfallrohren können in
weit größeren Bereichen
variieren, insbesondere bei kleinen bis mittleren Brauereianlagengrößen können beispielsweise
bei gleichem Fallrohrdurchmesser die erforderlichen Durchsätze in einem
Verhältnis
von bis zu 1 zu 20 variieren. Das heißt, dass bei gleichem Fallrohrdurchmesser
jeweils die Konstruktion der Wassergeometrie an den jeweiligen Leistungsbereich
angepasst werden muss, um eine ausreichende Mischgüte zu erreichen.
Eine nachträgliche
größere Änderung
des Leistungsbereiches ist meist nur durch Austausch der kompletten Vorrichtung
möglich,
da die den Wasserdurchsatz bestimmenden Teile fest miteinander verschweißt sind.
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Für den Vormaischprozess
sind folgende Vorrichtungen bekannt:
Der Vormaischer aus
EP 1 333 083 löst die Anforderung
an innige Vermischung durch den aufwändigen Einbau einer Vielzahl
von Leitblechen, die der radial nach innen gerichteten Wasserzuführung eine
zusätzliche
tangentiale Turbulenz der Strömung
vermitteln soll, um die erforderliche Vermischung und Staubniederschlagung
zu erzielen. Diese Leitbleche verbessern zwar die Durchmischung
der beiden Phasen, bilden jedoch konstruktiv bedingt auch Strömungstotecken
aus, die einerseits erhöhten
Reinigungsaufwand erfordern und zum anderen eine latente Verstopfungsmöglichkeit
darstellen bei eventuellen größeren Schwankungen
beider Massenströme.
Nachteilig wirken sich diesbezüglich
hier auch zusätzliche
Einbauten in der Funktion als Rotationsstörelemente aus. Eine zuverlässige Reinigung
einer derartigen Mischvorrichtung ist nur durch eine nahe oberhalb
eingebaute so genannte Sprühkugel
im Fallrohr möglich.
Diese erforderliche Reinigungsvorrichtung selbst stellt jedoch als
störender
Einbau im Fallrohr eine zusätzliche
Verstopfungsquelle dar. Zudem ist die Reinigung der Sprühkugeloberfläche selbst
problematisch, was ein latentes mikrobiologisches Hygienedefizit
darstellt. Eine größere Leistungsanpassung
der Durchsatzmengen bei gleichem Fallrohrdurchmesser ist nur durch
aufwändige
Anpassung der Geometrien aller konstruktiven Elemente für die Wasserzuführung der
Vorrichtung möglich. Eine
nachträgliche
Anpassung einer bestehenden Anlage ist nur mit sehr hohem Aufwand
möglich.
Ein weiterer Nachteil besteht in der Ausbildung des Funktions-Bestimmenden
Maischwasserquerschnittes als Schweißkonstruktion wodurch die für kleine
Leistungen erforderlichen kleinen Spalte nicht in zufrieden stellender
Präzision
beziehungsweise nur mit sehr hohem fertigungstechnischem Aufwand
herzustellen sind. Bei kleinen Querschnitten sind beispielsweise zur
Erzielung von vergleichbar wirksamen Maischwasseraustrittsgeschwindigkeiten
Spaltweiten in der Größenordnung
von unter einem Millimeter erforderlich.
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Aus
der Fachliteratur (Brauwelt Ausgabe 36, Jahrgang 2005) ist eine
Vorrichtung bekannt, die die Anforderungen nach homogener Durchmischung und
Staubniederschlagung durch zwei getrennte Wassereinspeisungen realisiert.
Hierdurch wird zwar die erforderliche Prozessgüte erreicht, jedoch mit hohem
konstruktivem Aufwand bedingt durch die beiden separaten Wasserzuführungen.
Aufgrund der gewählten
Geometrien ist auch hier zur Sicherstellung einer ausreichenden
Reinigung der Einbau einer zusätzlichen
nahen Sprühkugel,
wie bereits bei vorheriger Vorrichtung beschrieben, erforderlich.
Dies ist mit den bereits erläuterten
Nachteilen verbunden.
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Ein
Vormaischer mit radial einwärts
gerichteter Wasserzufuhr ist aus der
CH-A-1 306 bekannt. Die Wassereinspeisung
in den Schrotstrom erfolgt durch eine Vielzahl von Löchern im
Innenrohr einer Doppelwandung.
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Vormaischer
mit Wasserführungen
aus dem Zentrum sind bekannt durch die
FR-A-1539 300 und durch die
CH-A-42-888 .
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Die
aufgeführten
Lösungen
für eine
Vorrichtung zum Einmaischen besitzen Nachteile hinsichtlich des
konstruktiven Aufwands/kostengünstigen Herstellung
zur Anpassung an die jeweiligen Durchsatzleistungen, der reinigungstechnischen/hygienischen
Anforderungen, der Sicherstellung einer ausreichenden Durchmischung
von Schrot und Wasser sowie hinsichtlich der Betriebssicherheit
bei Schwankungen der beiden Teilströme, insbesondere bei so genannten
Dickmaischen mit reduziertem Wasseranteil.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe an die Vorrichtung zugrunde die
beschriebenen Nachteile zu eliminieren. Diese Aufgaben werden durch
die in den Ansprüchen
angegebenen Merkmale gelöst.
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Gemäß Anspruch
1 wird der Durchsatz bestimmende Querschnitt des eintretenden Maischwassers
durch die Geometrie der Öffnungen
des flanschförmigen
Bauteils 6 bestimmt. Dieses ist gemäß Anspruch 3 durch eine geeignete
Verbindung 9 demontierbar und die Leistungsbestimmenden Maischwasserdurchsatzquerschnitte
somit variierbar. Somit ist zum einen für einen großen Leistungsbereich eine wirtschaftliche
Serienfertigung eines solchen Vormaischers möglich, da nur das Bauteil 6 individuell
an die jeweilige Leistung angepasst werden muss, zum anderen sind
nachträgliche
Anpassungen z.B. bei deutlichen Leistungsänderungen verbunden mit Änderung
der Einmaischzeit oder der Schüttung
bei gleicher Einmaischzeit problemlos möglich.
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Eine
vorteilhafte Einspeisung des Maischwassers in den Schrotstrom erfolgt
gemäß Anspruch 2
durch radiale Zuführung
mittels eines Ringspalts 6a, der durch geeignete Geometrie
der beiden Flansche 5 und 6 gebildet wird und
der das Maischwassers durch einen schräg nach unten zum Zentrum gerichtet
ringförmigen
umlaufenden Spalt 6a führt,
der wiederum auf den herab fallenden Schrotsstrom trifft und diesen
durch den Impuls des zugeführten Maischwassers 45 zum
Zentrum nach unten führt. Das
Maischwasser wird hierbei durch Öffnungen 5b geführt, wobei
vorteilhaft zur gleichmäßigeren
Verteilung dem Ringspalt 6a eine Verteilkammer 5a vorgeschaltet
ist.
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Eine
weitere Maßnahme
gemäß Anspruch
7 besteht darin, dass der Flansch 6 zusätzliche konzentrisch angeordnete Öffnungen
enthält
und somit einen zusätzlichen
Teilstrom des Maischwassers 47 generiert. Der zweite Teilstrom
des Maischwassers 47 wird durch eine zweite Schlitzreihe 6b,
die konzentrisch außerhalb
der des Ringspaltes 6a angeordnet sind, axial nach unten
geführt.
Dieser zusätzliche Teilstrom 47 bildet
zum einen einen Gleitfilm an der Rohrwandung bis zum Eintritt in
das Maischgefäß aus, auf
dem auch sehr dicke Maischen verstopfungsfrei abgeführt werden
können.
Zum anderen bildet dieser äußere Wasserfilm
am Auslaufkonus 12 einen zweiten Mischimpuls aus, der für eine nochmalige
Durchmischung sorgt und eventuelle noch nicht gebundene Staubpartikel
niederschlägt.
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Eine
zusätzliche
Maßnahme
zur weiteren Verbesserung der Mischturbulenzen ist gemäß Anspruch
8 dargelegt wobei der Teilstrom des Maischwassers 47 auf
Querschnittsverengungen an einem weiteren Flansch 11 und
einem Auslaufkonus 12 trifft und einen weiteren radialen
Mischimpuls auf den zentralen Maischestrom 46 ausübt.
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Gemäß Anspruch
3 wird die vorteilhafte Möglichkeit
der Anpassung des Maischwassermengenstroms 43 an verschiedene
Schrotmengenströme 40 durch
Austausch des Bauteils 6 dargelegt, wobei durch unterschiedliche
Geometrien, die den Maischwasserspalt 6a ausbilden, die
den Maischwasserdurchfluss bestimmende Breite des Ringspaltes 6a beeinflusst
werden kann. Eine weitere Möglichkeit der
Anpassung wird in Anspruch 13 dargelegt, wobei der Flansch geeignete
radiale oder eine Kombination von radialen und axialen Öffnungen
für die
Maischwasserzuführung
aufweist.
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In
den Ansprüchen
4, 5 und 6 werden vorteilhafte Ausführungen des Vormaischers beschrieben, die
eine einfache Demontierbarkeit des den Durchsatz bestimmenden Flansches 6 gewährleisten.
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Weitere
Maßnahmen
zur Verbesserung der Durchmischung von Schrot und Maischwasser werden
in Anspruch 9 dargelegt, wobei durch Verwendung eines doppelkegeligen
Verdrängungskörpers 7 der
Schrotstrom 40 zentral geteilt wird und durch den radialen
Impuls des Maischwasserstroms 45 wieder an den unteren
Kegel des Verdrängungskörpers 7 geführt wird
wodurch zusätzliche
vorteilhafte Mischturbulenzen erzeugt werden und der Maischestrom vorteilhaft
nach unten geführt
wird. In Anspruch 10 wird hierzu eine wirkungsvolle Maßnahme zur
dauerhaften Vermeidung von Anbackungen auf dem Verdrängungskörper 7 durch
Verwendung von zusätzlichen
Bohrungen 4a für
Maischwasser beschrieben. Das Wasser das durch diese Bohrungen 4a auf
den Verdrängungskörper 7 trifft
bildet auf der Oberseite des Verdrängungskörpers 7 einen Wasserfilm
aus, der anhaftende Ablagerungen von Mehlstäuben verhindert.
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Eine
deutliche Verbesserung der Reinigung von Vormaischern ist in den
Ansprüchen
11 und 12 dargelegt. Die Reinigungsmedien werden hierbei zum einen
durch Bohrungen 1a in der Vormaischerwandung 1 und
zum anderen durch eine tangentiale Zuführleitung 33 in das
Schrotrohr 30 zugeführt,
ohne dass zusätzliche
störende
Einbauten, wie die üblicherweise
verwendeten Sprühkugeln
erforderlich sind.
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Die
Ausführungsmerkmale
der Erfindung werden beispielhaft in den Zeichnungen näher dargestellt.
Es zeigen:
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1 Längsschnitt
des erfindungsgemäßen Vormaischers
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2 Beispielhafte
Einzelteildarstellung des oberen Flansches mit segmentartigen Durchgangsöffnungen
für das
Maischwasser
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3 Beispielhafte
Einzelteildarstellung des zugehörigen
flanschartigen Bauteils mit Darstellung der Öffnungen und Geometrien zur
Verteilung des Maischwassers
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4 Längsschnitt
des erfindungsgemäßen Vormaischers
mit Darstellung der Wasserströme
im Vormaischer
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5 Querschnitt
durch das Schrotfallrohr mit Darstellung der tangentialen Reinigungsleitung
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In 1 und 4 ist
der erfindungsgemäße Vormaischer
in einem Ausführungsbeispiel
dargestellt, das die Anbindung an das Schrotfallrohr 30 und den
herabfallenden Schrotstrom 40 sowie die Zuführungen
von Maischwasser 43 und Reinigungsmedien 42 samt
zugehörigen
Absperrvorrichtungen 3b und 2b zeigen. Anschließend an
die Zuführleitung
für Maischwasser 3a ist
eine Wasserverteilkammer 16 dargestellt, die durch das
Einlaufrohr 1, den Einlaufkegel 4, den Einlaufflansch 5 und
den Abschlussdeckel 18 gebildet wird. Das Maischwasser
wird durch Durchgangsöffnungen 5b des
oberen Flansches 5 geführt
und über
den Ringspalt 6a und zusätzliche konzentrische Spalte 6b verteilt.
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Im
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist ein zentraler doppelkegeliger Verdrängungsköper 7 dargestellt,
der von Haltestreben 8 fixiert wird und der den Malzstrom 40 ringförmig so
aufteilt, dass dieser in definierter Dicke durch einen radialen
und axialen Maischwasserstrom wieder entlang des unteren Kegels
des Verdrängungskörpers 7 zum
Zentrum geführt
wird. Die halben Kegelwinkel α und β dieses Verdrängungskörpers 7 liegen
vorteilhaft zwischen 20° und
45° Durch
die Wasserführung 45 und 46 entstehen
vorteilhafte zusätzliche
Mischturbulenzen zwischen Schrot und Maischwasser. Zur Vermeidung von
Anbackungen von klebrigen Mehlstäuben
auf dem Verdrängungskörper 7 sind
im Einlaufkonus 4 in einer vorteilhaften Ausführung zusätzliche Öffnungen 4a enthalten,
die einen Teil des Maischwassers 44 so auf den Verdrängungskörper 7 und
die Haltestreben 8 leiten, dass diese schon während des
Einmaischvorgangs ablagerungsfrei bleiben und keiner intensiven
Nachreinigung nach dem Einmaischvorgang bedürfen.
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In 1, 3 und 4 sind
als weitere Maßnahme
zur Verbesserung der Betriebssicherheit bei so genannten Dickmaischen
zusätzliche
konzentrische schlitzförmige Öffnungen 6b des
Flansches 6 dargestellt, die einen weiteren Maischwasserstrom erzeugen,
der axial nach unten führt
und zum einen eine äußeren Gleitfilm 47 auf
den weiteren Oberflächen 10, 11,12 und 31 nach
unten bis zum Eintritt in das Maischgefäß bilden. Dieser Wasserfilm 47 schütz auch
alle diese stromabwärts
liegenden Oberflächen 10, 11,12 und 31 vor
Ablagerungen von klebrigen Mehlstäuben, was sich wiederum insbesondere mit
den bereits diesbezüglich
genannten Merkmalen auf die Reinigbarkeit des gesamten Vormaischers 50 positiv
auswirkt.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale zur Reinigung des Vormaischer mittels Reinigungsmedien
ohne zusätzliche
Einbauten im Schrotraum sind in 1 und 4 dargestellt.
Die Reinigungsmedien 42 werden durch eine Absperrvorrichtung 2b und
ein Zulaufrohr 2a in einen ringförmigen Verteilraum 17 gebracht,
der aus der Wandung des Einlaufrohres 1, einem äußeren Mantelrohr 2,
einem Ringdeckel 19 und dem Einlaufkonus 4 gebildet
wird. Die Reinigungsmedien werden durch geeignete Bohrungen 1a in
zentrale Teilströme 48,
dargestellt in 4, aufgeteilt, die direkt den
Verdrängungskörper 7 und
die Haltestreben 8 und indirekt über zurückspritzende Strahlen auch die äußeren Oberflächen des
Mischraumes 15 so treffen, dass die Oberflächen wirkungsvoll
hygienisch in kurzer Zeit gereinigt werden können.
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Bei
längeren
Fallrohren 30 ist zur wirkungsvollen Reinigung desselben
in 5 ein vorteilhafter zusätzlicher tangentialer Reinigungsanschluss 33 dargestellt, über den
das Reinigungsmedium 42 über eine Absperrvorrichtung 2c einströmen kann
und eine wirkungsvolle tangentiale Strömung zur Reinigung des Schrotrohres 30 und
des Vormaischers 50 erzeugt.
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Aus 1 bis 4 geht
hervor, dass der wirksame Hauptquerschnitt für die Zuführung des Maischwassers ausschließlich durch
einen vorteilhaften ausgeführten
Flansch 6 bestimmt wird und dass dieser Flansch leicht
austauschbar ist. Diese Austauschbarkeit ist gewährleistet durch dargestellte lösbare Schraubenverbindungen 9 und 9a,
durch ein über
Zuganker 13 gehaltenes lösbares Mischkammerrohr 10 sowie
durch Flanschverbindungen 32. Bei starr verschweißten Fallrohren 30 ohne
Längenkompensationsmöglichkeit
kann vorteilhaft ein zusätzlicher
Flansch gemäß Position 32 unterhalb
des Vormaischers 50 im Auslaufrohr 31 montiert
sein, der nicht gesondert dargestellt ist.
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Eine
vorteilhafte Ausbildung des Hauptstromes für Maischwasser 6a ist
ebenfalls in 1, 3 und 4 dargestellt.
Der Spalt 6a wird durch Flächen der beiden Flansche 5 und 6 gebildet.
Besonders vorteilhaft hierbei ist, dass für die jeweilige Größe des Fallrohres 30 und 31 der
Flansch 6 mit einem minimalen Spalt 6a in Serie
gefertigt werden und die Geometrie auf den jeweiligen Bedarfsfall
an Maischwasserdurchsatz durch einfache spanende Bearbeitung angepasst
werden kann. Dieses ist auch nachträglich zur Steigerung der Durchsatzleistung möglich. Durch
diese Maßnahme
können
bei annähernd
gleich hoher Austrittsgeschwindigkeit des Maischwasserhauptstromes
bei gleichem Nenndurchmesser des Fallrohres 30 Leistungsbereiche des
Gesamtdurchsatzes an Schrot und Maischwasser weit über das
Verhältnis
1 zu 10 realisiert werden. Dies ermöglicht auf einfache Weise eine
optimale und einfache Anpassung an die Durchsatzmengen. Diese Durchsatzvariation
wird in vorteilhafter Weise bei der Wahl des Querschnittes des Maischwasseranschlusses 3a entsprechend
berücksichtigt.
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Als
Konsequenz ist bei der erfindungsgemäßen Ausführung eine kostenreduzierende
hohe Fertigungsstandardisierung möglich, da mit sehr wenigen Nennweitensprüngen des
Einlaufrohres (1) der marktübliche Leistungsbereich abgedeckt
und die jeweilige spezifische Leistungsanpassung lediglich durch
Variation nur eines Bauteils (6) realisiert werden kann.