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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Nutzung eines Wasservolumens
als Energiespeicher umfassend einen ersten oberen Speicherbehälter,
welcher ein Vorratsvolumen an Wasser enthält, ein mit diesem
Vorratsvolumen verbundenes Fallrohr und einen unteren Auffangbehälter,
in den das untere Ende des Fallrohrs mündet sowie eine
in dem Fallrohr angeordnete Einrichtung zur Gewinnung von elektrischer
Energie aus dem in dem Fallrohr strömenden Wasser.
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Es
ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt, ein Wasservolumen
als Energiespeicher zu nutzen und die in diesem Wasservolumen gespeicherte
potentielle Energie bei Bedarf zur Gewinnung von elektrischer Energie
zu nutzen, indem man Wasser aus diesem Wasservolumen heraus auf
ein tieferes Niveau strömen lässt, wobei man die
dabei freigesetzte Strömungsenergie beispielsweise über
Turbinen oder dergleichen in elektrische Energie umwandelt. Nach
diesem grundsätzlichen Prinzip arbeitet beispielsweise
ein Wasserkraftwerk im Bereich eines Staudamms, wobei ein Stausee
ein sehr großes Wasservolumen darstellt und die in diesem
gestauten Wasser gespeicherte potentielle Energie nutzbar gemacht
wird, indem Wasser aus dem Stausee abgelassen wird.
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Im
Bereich der kommunalen Wasserversorgung ist die Verwendung von Hochbehältern
ein weithin bekanntes und insbesondere früher genutztes Prinzip
zur Speicherung eines Wasservolumens in einem Behälter
auf erhöhtem Niveau, welches dazu dient, den hydrostatischen
Druck des im Hochbehälter gespeicherten Wassers zur Erhöhung
des Wasserdrucks und zur Erzielung eines gleichmäßigen Wasserdrucks
im Leitungsnetz zu nutzen. Das aus dem Hochbehälter entnommene
Wasser wird mit Hilfe von Pumpen in den Hochbehälter zurück
gepumpt.
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Grundsätzlich
ist es aus dem Stand der Technik auch bekannt, Turbinen zur Erzeugung
von elektrischer Energie aus Wasserkraft direkt in einem Fallrohr
unterzubringen. Die
DE
101 60 916 A1 beschreibt ein solches Strömungsrohr,
innerhalb dessen eine Turbine angeordnet ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anlage zur Nutzung eines
Wasservolumens als Energiespeicher der eingangs genannten Gattung zur
Verfügung zu stellen, bei der eine kontinuierliche Nutzung
der in dem Wasservolumen gespeicherten Energie über einen
längeren Zeitraum mit einem vergleichsweise hohen Wirkungsgrad
möglich ist.
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Die
Lösung dieser Aufgabe liefert eine Anlage zur Nutzung eines
Wasservolumens als Energiespeicher der eingangs genannten Gattung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt zur Lösung der vorgenannten
Aufgabe vor, dass ein in einem Gehäuse unterhalb des ersten
oberen Speicherbehälters angeordneter Rotor mit jeweils
im etwa endseitigen Bereich an seinen Rotorflügeln angeordneten
Druckrollen vorgesehen ist, dass innerhalb dieses Gehäuses
Wasser durch eine Leitung aus einem flexiblen Werkstoff strömt,
welche an ihrem oberen Ende an das Wasservolumen des oberen Speicherbehälters
angeschlossen ist, wobei diese Leitung an wenigstens zwei Stellen
von den Druckrollen an den Rotorflügeln des Rotors beaufschlagt
wird, wodurch die Strömung durch die Leitung unterbrochen
wird, wobei die Leitung über einen Teilkreisabschnitt entlang
der Bewegungslinie der Druckrollen verläuft und wobei sich
stromabwärts an diese Leitung ein Fallrohr anschließt,
in dem eine Einrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie angeordnet
ist.
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Der
Rotor unterbricht bei seiner Rotationsbewegung durch seine Druckrollen
die flexible Leitung zunächst an zwei Stellen, wobei bei
der weiteren Rotation die stromabwärts gelegene Stelle
freigegeben wird, so dass das Wasser in das Fallrohr gelangen kann.
Der stromaufwärts befindliche Rotorflügel folgt danach
weiter der teilkreisförmigen Bahn der flexiblen Leitung
in dem Gehäuse bis er nach etwa einer halben Umdrehung
ebenfalls an die stromabwärts gelegene Stelle gelangt,
an der die Leitung freigegeben wird. Zu diesem Zeitpunkt befindet
sich der zweite Rotorflügel bereits wieder in der stromaufwärts
gelegenen Position, in der er die flexible Leitung erneut abklemmt,
so dass sich der Vorgang dann wiederholt. Auf diese Weise kann Wasser
kontinuierlich aus dem oberen Speicherbehälter über
den flexiblen Leitungsabschnitt in das Fallrohr gelangen, wodurch
dort beispielsweise eine Turbine angetrieben wird.
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Aus
dem Fallrohr kann über ein über Absperreinrichtungen
verschließbares Leitungssystem beispielsweise Brauchwasser
oder Trinkwasser für die Versorgung eines Gebäudes
abgezweigt werden. Auf diese Weise kann man beispielsweise in einem größeren
Gebäude mit mehreren Wohneinheiten eine Wasserversorgung
mit entsprechendem Leitungsdruck aufbauen und zumindest einen Teil
der in dem gespeicherten Wasser enthaltenen potentiellen Energie
in elektrische Energie umwandeln und somit nutzen. Der Antrieb des
Rotors kann beispielsweise elektromotorisch erfolgen und verbraucht
dann nur vergleichsweise wenig Energie, so dass die Anlage eine
gute Energiebilanz hat.
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Bevorzugt
gelangt das Wasser am unteren Ende der Fallrohrleitung in einen
unteren Auffangbehälter. Von dort aus kann Wasser beispielsweise über eine
Steigleitung hochgepumpt und zurück in den ersten oberen
Speicherbehälter gefördert werden, so dass dieser
wieder gefüllt wird und das Wasser erneut als Energiespeicher
genutzt werden kann.
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Gemäß einer
möglichen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Fallrohr, der untere Auffangbehälter und die Steigleitung
in Form von kommunizierenden Röhren untereinander und mit
dem Wasservolumen in dem ersten oberen Speicherbehälter
verbunden sind.
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Um
eine Druckentlastung zwischen dem Innenraum des ersten oberen Speicherbehälters
und dem Innenraum des Rotorgehäuses zu schaffen, kann man
beispielsweise eine diese beiden verbindende Druckausgleichsleitung
vorsehen, die den Innenraum des Rotorgehäuses mit dem Gasraum
im Speicherbehälter oberhalb des Flüssigkeitspegels verbindet.
Bei dieser Variante ist der erste obere Speicherbehälter
ein allseits geschlossener Behälter. Der zweite Behälter
(unterer Auffangbehälter) kann beispielsweise ein nach
oben hin offener Behälter sein.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass das untere Ende des Fallrohrs stromaufwärts
vor dem Auffangbehälter oder im Bereich des Auffangbehälters über Absperrmittel
wie beispielsweise ein Ventil oder dergleichen verschließbar
ist, so dass nur bei geöffneten Absperrmitteln Wasser aus
dem Fallrohr in den Auffangbehälter gelangen kann.
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Die
Turbine zur Gewinnung von elektrischer Energie ist bevorzugt im
unteren Bereich des Fallrohrs angeordnet und wird von dem durch
dieses strömenden Wasser beaufschlagt, wobei die Turbine in
an sich bekannter Weise einen Generator antreiben kann, der elektrische
Energie erzeugt, welche beispielsweise in ein Stromnetz im Bereich
eines Gebäudes eingespeist werden kann.
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Die
flexible Leitung, die durch die Druckrollen der Rotorflügel
beaufschlagt wird, kann beispielsweise aus einem gummielastischen
Werkstoff bestehen, welcher natürlich ausreichend belastbar
sein muss, um den Druckkräften stand zu halten, die durch
die Druckrollen an den Rotorflügeln entstehen. Beim Abrollen
dieser Druckrollen wird die flexible Leitung abgequetscht, wobei
die Stelle an der die Druckrolle die Leitung verschließt
mit der Bewegung des Rotors entlang des Abschnitts einer Kreisbahn
wandert.
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Der
erfindungsgemäß verwendete Rotor kann sich mit
einer Drehzahl von beispielsweise etwa 60 Umdrehungen pro Minute
drehen, so dass das Wasser entsprechend rasch von der flexiblen
Leitung in die Fallrohrleitung gelangt. Die Reibung der Druckrollen
beim Abrollen auf der flexiblen Leitung ist bei geeigneter Werkstoffwahl
vergleichsweise gering. Der Antrieb des Rotors kann zum Beispiel
reibungsarm und energiesparend über einen Elektromotor und
einen Riemenantrieb erfolgen, der die Rotorwelle in Rotation versetzt.
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Gemäß einer
möglichen bevorzugten konstruktiven Ausführungsvariante
der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rotor eine Anzahl von n Rotorflügeln
umfasst, wobei n ≥ 2 ist und wobei der absperrbare Teilkreisabschnitt
der flexiblen Leitung sich über einen Umfangswinkelbereich
von mehr als 360°/n erstreckt. Dies bedeutet, wenn der
Rotor beispielsweise 2 Rotorflügel im Umfangsabstand von
180° aufweist, dass sich dann der absperrbare Teilkreisabschnitt
der flexiblen Leitung wenigstens über etwas mehr als 180° erstreckt.
In diesem Fall gibt es eine Position des Rotors, in der beide Druckrollen
an den Rotorflügeln die flexible Leitung absperren. Eine
erste Absperrposition liegt weiter stromaufwärts und eine
zweite Absperrposition liegt weiter stromabwärts. Die genaue
Funktion des Rotors wird auch aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung
deutlich, die auf die Zeichnungen der Anmeldung Bezug nimmt und
diese wird daher in einem Ausführungsbeispiel noch einmal
näher erläutert.
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Die
in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Detailbeschreibung.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine
schematisch vereinfachte Darstellung einer Anlage gemäß einer
beispielhaften möglichen Ausführungsvariante der
vorliegenden Erfindung;
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2 eine
schematisch vereinfachte vergrößerte Darstellung
eines oberen Ausschnitts von 1 aus der
weitere Details betreffend den Rotor hervorgehen;
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3 eine
schematisch vereinfachte Seitenansicht des Rotors von 2.
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Es
wird zunächst auf die 1 Bezug
genommen und anhand dieser schematisch vereinfachten Darstellung
wird die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen
Anlage beispielhaft erläutert. Die Darstellung ist nicht
maßstabsgerecht und soll nur das Prinzip erläutern.
Die Anlage umfasst einen ersten oberen Speicherbehälter 10,
in dem ein Vorratsvolumen 11 an Wasser gespeichert wird.
Dieser obere Speicherbehälter 10 befindet sich
beispielsweise im oberen Bereich eines größeren
Gebäudes, beispielsweise eines Mehrfamilienhauses oder
eines Bürogebäudes in einer gewissen Höhe über
dem Bodenniveau, so dass in dem Vorratsvolumen an Wasser eine entsprechende
potentielle Energie gespeichert ist. Von dem Vorratsvolumen des
Speicherbehälters aus etwa vertikal nach unten hin erstreckt
sich ein Fallrohr 12, welches an seinem oberen Ende in dem
Wasser des Vorratsvolumens 11 endet und welches ein unterhalb
des Speicherbehälters angeordnetes Gehäuse 13 eines
Rotors (der hier nicht dargestellt ist) durchsetzt. Das Innere dieses
Gehäuses 13 ist über eine Druckausgleichsleitung 14 mit
dem Innenraum des Speicherbehälters 10 oberhalb
des Wasserspiegels verbunden. Der Speicherbehälter ist bei
dieser Ausführungsvariante ein allseits geschlossener,
das heißt auch oberseitig zur umgebenden Atmosphäre
hin geschlossener Behälter.
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In
einem stromabwärts gelegenen Bereich, bevorzugt etwa im
unteren Bereich des Fallrohrs 12 ist in diesem eine Turbine 15 angeordnet,
die von dem im Fallrohr strömenden Wasser beaufschlagt wird
und die beispielsweise einen hier nicht dargestellten Generator
antreibt, so dass elektrische Energie erzeugt werden kann, wenn
Wasser aus dem Speicherbehälter 10 in dem Fallrohr 12 nach
unten strömt. Das Fallrohr 12 ist über
ein Ventil, eine Klappe 16, einen Schieber oder dergleichen
absperrbar, bevorzugt im unteren Endbereich, beispielsweise zwischen
der Turbine 15 und dem unteren Auffangbehälter 17.
Es strömt somit nur dann Wasser über das Fallrohr 12 in
den Auffangbehälter 17, wenn diese Klappe 16 geöffnet
ist. Der Auffangbehälter 17 kann ein oberseitig
zur Umgebung hin offener Behälter sein. In der Regel ist
ein an das Fallrohr 12 anschließender unterster
Leitungsabschnitt 18 vorgesehen, der etwa horizontal verläuft
und in das Innere des Auffangbehälters 17 mündet.
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Weiterhin
ist eine Steigleitung 19 vorhanden die von dem Auffangbehälter 17 ausgehend
nach oben verläuft, beispielsweise etwa vertikal, und deren
unteres Ende 19a in dem Auffangbehälter 17 endet
und zwar bevorzugt unterhalb des Wasserspiegels des Wassers im Auffangbehälter.
Im letzteren Fall ergibt sich zwischen dem Wasser im Auffangbehälter 17 und
der Steigleitung 19 eine kommunizierende Röhre,
wenn das Steigrohr 19 vollständig mit Wasser gefüllt
ist. Wird die Klappe 16 von dem Fallrohr 12, 18 zum
Auffangbehälter 17 hin geöffnet und wird
zudem über das noch näher zu beschreibende Rotorsystem
in dem Gehäuse 13 der Druck in dem Fallrohr 12 erhöht,
dann steigt auch das Wasser in der Steigleitung 19 aufwärts
und wird nach oben zurück in den oberen Speicherbehälter 10 gefördert. Die
Steigleitung 19 geht am oberen Ende in einen Leitungsabschnitt 20 über,
der in dem oberen Speicherbehälter 10 unterhalb
des dortigen Wasserspiegels des Vorratsvolumens 11 in das
dort gespeicherte Wasser einmündet, so dass bei gefüllter
Steigleitung auch eine Verbindung nach dem Prinzip der kommunizierenden
Röhren zwischen dem Wasser in dem Auffangbehälter 17,
dem Wasser in der Steigleitung 19 und dem Wasser 11 in
dem Speicherbehälter 10 vorliegt. Das Fallrohr 12 endet
an seinem oberen Ende wiederum in dem Wasservorratsvolumen 11.
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Die
Funktion des Rotorsystems wird nun nachfolgend unter Bezugnahme
auf die 2 und 3 näher
erläutert. Es ist ein beispielsweise zweiflügliger
Rotor 21 in dem Gehäuse 13 angeordnet, der
sich um eine Achse 22 dreht und der über geeignete
Antriebsmittel in Rotation versetzt wird. Die beiden Rotorflügel
stehen in einem Umfangsabstand von ca. 180° zueinander
und weisen jeweils endseitig eine Druckrolle 23, 24 auf,
die so angeordnet ist, dass sie auf einen flexiblen Abschnitt 25 der
Leitung drückt, welcher zwischen dem oberen Speicherbehälter 10 und
dem Fallrohr 12 verläuft (in 1 ist dieser
Leitungsabschnitt aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt.) Der flexible Leitungsabschnitt 25 wird
von dem Vorratsvolumen 11 an Wasser in dem oberen Speicherbehälter 10 gespeist.
Da wo sich jeweils die Druckrollen 23, 24 des
Rotors befinden wird der flexible Leitungsabschnitt 25 jeweils abgequetscht,
so dass eine Strömung durch diesen in das Fallrohr 12 verhindert
wird. Die Leitung besteht in dem Abschnitt 25 bevorzugt
aus einem gummielastischen Werkstoff. Wenn sich nun der Rotor 21 ausgehend
von der in 2 dargestellten Position im Gegenuhrzeigersinn
dreht, dann wandert die Druckrolle 23 entlang der Bahn
des Abschnitts 25 der Leitung, da dieser in etwa der Form
eines Teilkreises folgt. Somit wird bei gefüllter Leitung
das in dem Abschnitt zwischen den beiden Druckrollen 23, 24 befindlichen
Wasser in einer Art Pumpvorgang stromabwärts bewegt. Bei
Bewegung des Rotors im Gegenuhrzeigersinn wird die untere Druckrolle
irgendwann die Leitung 25 nicht mehr beaufschlagen, so dass
das Wasser aus dem unteren Bereich des Abschnitts 25, wo
ein Knie 26 gebildet ist, in das Fallrohr 12 strömen
kann. In der Drehphase, in der nur eine der beiden Druckrollen,
z. B. die Druckrolle 23 aktiv ist, wandert diese entlang
des Leitungsabschnitts 25, so dass immer Wasser von oben
aus dem Speicherbehälter 10 bis zu dem Abquetschpunkt
der Druckrolle nachfließen kann. Irgendwann gelangt dann
auch diese Druckrolle 23 in den Bereich des Knies 26 und das
Wasser wird in das Fallrohr freigegeben. Wenn dieser Punkt erreicht
ist, befindet sich die andere Druckrolle 24 jedoch bereits
wieder in der oberen Position wie sie in 2 für
die Druckrolle 23 gezeigt ist, so dass der Leitungsabschnitt 25 oben
wieder beaufschlagt und abgequetscht wird und der Vorgang wiederholt
sich. Auf diese Weise kann wie bei einem Pumpvorgang kontinuierlich
Wasser aus dem Speicherbehälter 10 über
den Abschnitt der Leitung 25 in das Fallrohr gelangen,
solange sich er Rotor 21 dreht. Bei Stillstand der Rotors 21 in
jeder beliebigen Position wird hingegen de Leitungsabschnitt 25 durch
mindestens eine Druckrolle 23, 24 verschlossen
und somit die Strömung in das Fallrohr 12 unterbrochen.
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Aus 3 ergibt
sich, dass die Achse 22 des Rotors 21 ebenso wie
das gesamte Gehäuse 13 des Rotors in einem Winkel
zur Vertikalen verlaufen kann. Man erkennt in 3 auch
den Elektromotor 27 für den Antrieb des Rotors 21,
welcher an einer Halterung 28 befestigt sein kann. Von
dem Elektromotor kann die Kraft beispielsweise über einen
Riemen 29 auf eine Riemenscheibe 30 übertragen
werden, welche koaxial mit der Achse 22 des Rotors angeordnet ist
und die Rotorwelle antreibt. Die Riemenscheibe 30 kann
sich gegebenenfalls außerhalb des Gehäuses 13 des
Rotors 21 befinden. In das Innere des Gehäuses 13 erstreckt
sich die auch in 1 dargestellte Druckausgleichsleitung 14,
die einen Druckausgleich mit dem Inneren des Speicherbehälters 10 ermöglicht.
Oberhalb des Rotorgehäuses 13 endet der Abschnitt
der flexiblen Leitung in dem Wasservorratsvolumen 11 des
Speicherbehälters 10. Die aus dem Rotorgehäuse 13 ausgetretene
Leitung geht stromabwärts des Knies 26 in das
Fallrohr 12 über, welches in der Regel als starre
Rohrleitung ausgeführt ist. Lediglich in dem teilkreisförmigen
Abschnitt 25 muss die Leitung aus einem flexiblen Werkstoff
bestehen, so dass sie von den Druckrollen 23, 24 abgequetscht
werden kann. Die Druckrollen sind bevorzugt um eine Achse die etwa
entlang der Rotorflügel verläuft, also senkrecht
zur Achse 22 des Rotors, drehbar an den Rotorflügeln
angebracht, so dass sich die Druckrollen bei Drehung des Rotors
quasi über die flexible Leitung 25 abwälzen
und diese jeweils abquetschen können.
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Die
gesamte zuvor beschriebene Anordnung kann sich in einem Wohngebäude
oder Bürogebäude befinden. Um das beschriebene
System einer weiteren Nutzung zuzuführen kann man aus dem
Leitungssystem, beispielsweise im Bereich des Fallrohrs 12 oder
des unteren Auffangbehälters 17 eine oder mehrere
Leitungen abzweigen, um Wasser zu entnehmen, welches dann an Verbraucher
in dem Gebäude geleitet wird, so dass man in dem Gebäude eine
Wasserversorgung mit gleichbleibend hohem Druck schafft. Wenn die
Anordnung als geschlossenes System mit Fallrohr, Auffangbehälter,
Steigleitung und oberem Speicherbehälter mit kommunizierenden
Leitungen ausgebildet ist, ist es zweckmäßig, entnommenes
Wasser dem System wieder zuzuführen, so dass das kommunizierende
Leitungssystem immer vollständig gefüllt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Speicherbehälter
- 11
- Vorratsvolumen
- 12
- Fallrohr
- 13
- Gehäuse
des Rotors
- 14
- Druckausgleichsleitung
- 15
- Turbine
- 16
- Klappe
zur Absperrung
- 17
- unterer
Auffangbehälter
- 18
- Leitungsabschnitt
- 19
- Steigleitung
- 19a
- unteres
Ende der Steigleitung
- 20
- Leitungsabschnitt
- 21
- Rotor
- 22
- Achse
des Rotors
- 23
- Druckrolle
- 24
- Druckrolle
- 25
- flexibler
Leitungsabschnitt
- 26
- Knie
- 27
- Elektromotor
- 28
- Halterung
- 29
- Riemen
- 30
- Riemenscheibe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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