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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur solaren Eindampfung von Salzlösungen, die zur Gewinnung von Wertstoffen wie z.B. Lithiumsalzen eingesetzt werden.
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Die Gewinnung von Salz (NaCl) aus Meerwasser durch solare Eindampfung ist ein sehr altes und in vielen Ländern praktiziertes Verfahren der Salzgewinnung. Hierbei lässt man das Meerwasser durch ein System von flachen Becken (Ponds) langsam aufkonzentrieren bis in den letzten Becken das gewünschte Salz am Boden auskristallisiert und dann geerntet werden kann. Die Effektivität des Eindampfprozesses hängt in erster Linie von den klimatischen Verhältnissen (Sonnenscheindauer, Niederschlag, Wind) ab. Mit zunehmender Salzkonzentration der Lösung, insbesondere des Magnesiumchlorides, sinkt der Wasserdampfdruck und die solare Eindampfung wird immer schwieriger. So lässt man die verbleibende, konzentrierte Restlösung (Bittern) nach der NaCl-Kristallisation zumeist in das Meer zurück fließen, obwohl sich dort weitere Wertstoffe wie Kalisalze oder Magnesiumchlorid in nun erhöhter Konzentration befinden.
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Natürliche Salzlösungen, wie Meerwasser oder wie sie in den so genannten Salzseen im Hochgebirge in Südamerika (z. B. Salar de Uyuni, Salar de Atacama, Salar de Rinco, u.a.) oder China (Tibet, Qinghaibecken) oder im Clayton Valley (Californien) und anderen Gebieten der Erde vorkommen, enthalten als gelöste Salze zumeist die Chloride, Bromide, Sulfate und Borate der Alkali- und Erdalkalimetalle in sehr unterschiedlichen absoluten Konzentrationen und relativen Massenverhältnissen zueinander.
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Einige der Wertstoffkonzentrationen, die von Interesse sind, betragen nur ein Tausendstel bis Zehntel der Konzentrationen der Hauptkomponenten. Ein typisches Beispiel ist die Gewinnung von Lithiumsalzen aus den Lösungen der südamerikanischen Salare oder den Salzseen in China. Die Lösungen müssen hierbei unter Auskristallisation großer Mengen anderer Salze wie NaCl, KCl oder Carnallit bis auf einen kleinen Anteil Restlösung eingedampft werden. So müssen z. B. für eine typische Sole eines Salars in Bolivien oder Chile pro t Produktion an Lithiumcarbonat ca. 30 t NaCl und 10 t Carnallit beim Aufkonzentrieren von 250 m3 Sole auf 20 m3 konzentrierte Magnesiumchlorid-Lithiumchlorid-Lösung auskristallisiert werden.
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Das gelingt ökonomisch mit solarer Technik bisher nur in klimatisch besonders geeigneten, ariden Gebieten wie im Salar de Atacama bei extremer Trockenheit (5% rel. Luftfeuchte) und intensiver Sonneneinstrahlung.
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Die Übertragung, der von der Meersalzgewinnung her bekannten Pond-Technologie auf Trockengebiete heißt, dass zunächst ebene Flächen für solche Ponds über Kilometerausdehnungen hinweg vorhanden sein müssen. Zum Anlegen der Ponds muss Ton in mehreren Schichten zum Abdichten nach unten und der Seite in die Ponds aufgefahren werden oder die gesamte Fläche mit 0.5–5 mm starker PVC-Folie ausgelegt werden [D.E. Garrett, „Potash – Deposits, Processing, Properties and Uses”, Springer-Verlag, 1996].
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Für die Wirtschaftlichkeit bei dieser Technologie ist eine komplexe Verarbeitung der sehr großen Mengen anfallender Salze aus den komplex zusammengesetzten Solen an Ort und Stelle erforderlich. Gerade letzterer Gesichtspunkt ist einerseits durchaus wünschenswert, aber nicht immer sofort praktikabel. Die Lösungsvorkommen liegen zumeist in Gebieten (Hochgebirge) mit schwach entwickelter Infrastruktur, wo eine Salzverarbeitung im Mio- Tonnenmaßstab zunächst hohe Infrastrukturinvestionen für Transport und Energieversorgung notwendig macht. Darüber hinaus kommt es zu erheblichen Eingriffen in die natürlichen Bedingungen der Region und die Lebensbedingungen der ansässigen Bevölkerung.
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Ein weiteres Problem der Pond-Technologie stellt das Ernten der am Boden auskristallisierten Salze dar. Beim Ernten mit schwerer Technik in ausgeleerten Ponds besteht die Gefahr der Beschädigung der Abdichtung, wobei die Feststellung der Lokalitäten der Undichtheit nicht einfach ist. Die alternative Technik mit lasergesteuerten schwimmenden Sammlern ist aufwändig und weniger selektiv.
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Bei der enormen Ausdehnung der Ponds ist auch ein Abdecken zum Schutze vor Regenwasser kaum möglich.
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Die Verdampfungsrate in den Ponds wird auch oft durch die Bildung feiner flacher Kristalle oder die Ausbildung von Filmen aus unterschiedlichen unlöslichen Stoffen an der Lösungsoberfläche negativ beeinflusst. Bewegung der Sole in Oberflächennähe, die die Verdampfung fördert, kommt nur durch überstreichenden Wind und Dichtegradienten zustande und ist demzufolge eher gering.
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In der Patentschrift
US 6,197,152 B1 versucht man eine intensivere und kontrolliertere Solebewegung zu erhalten, indem der Pond in lange, kanalartige Abschnitte unterteilt wird, durch den sich die Lösung wie ein Wurm (Helminthoid-Verdamper) bewegen muss. Auch schwimmende schwarze Platten sollen die Verdampfungsrate erhöhen [Nafey AS, Abdekader M, Abdelmotalip A, Mabrouk AA. Enhancement of solar still productivity using floating perforated black plate. Energy Conv Mgmt 2002;43:937-946].
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In neuerer Zeit wurde zum Erzielen einer intensiveren Eindampfung das Überdachen der Eindampfbecken wie bei Gewächshäusern und eine Verstärkung der Luftbewegung über der Sole durch Anbau eines Kaminschachtes oder mit mechanisch angetriebenen Ventilatoren, die Luft hindurch blasen, vorgeschlagen [
US 6,500,216 B1 ,
WO 2008/142459 A2 , D. H. Ash, 1 David G. Salladay, 1 Verrill M. Norwood, ~ & Gerald R. Guinn 2 Fertilizer Research 33: 177–185, 1992. © 1992 Kluwer Academic Publishers. Printed in the Netherlands. 177 Solar evaporation of aqueous wastes from fertilizers/ag-chemical dealerships]. Es wurden auch Anordnungen zum Versprühen der Salzlösungen über ausgebauten Becken oder geneigte, sonnenbeschienene Platten oder kreisförmige Flächen beschrieben [z. B.
US 3,992,246 B1 ;
US 6,391,162 B1 ]. Die Verwendung von Sprühdüsen erzeugt zwar eine sehr große Oberfläche zur Verdampfung, birgt aber den Nachteil in sich, dass die Düsen bei Lösungen mit hohen Salzgehalten, wie sie bei den Salarlösungen vorliegen, leicht durch Kristallisation verstopfen und die Pumpen eine relativ hohe Fließgeschwindigkeit der Lösung bzw. einen hohen Druck erzeugen müssen.
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US 3,992,246 B1 offenbart eine Verdunstungseinrichtung zur Gewinnung von Mineralien aus ungesättigten Flüssigkeiten. Die mineralhaltige Flüssigkeit wird auf die Oberfläche einer Verdunstungsfläche so mittels darüber angeordneter Düsen aufgesprüht, dass sich ein hauchdünner Film ausbildet, der eine schnelle Verdunstung gewährleistet, andererseits die Oberfläche der Verdunstungsfläche aber nicht abkühlt und eine Auskristallisation auf der Verdunstungsfläche vermeidet.
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US 2,238,364 B1 beschreibt einen Sprühtrockner, insbesondere eine kopfseitige Einrichtung zum Zerstäuben von Flüssigkeiten, bei der erhitzte Luft mit einer speziell ausgestalteten Zerstäubereinrichtung, incl. einer Zerstäuberscheibe in die Trockenkammer eingeleitet wird. Die Zerstäubereinrichtung ist nicht geeignet, Salzlösungen aufzugeben.
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DE 38 29 464 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Frischwassergewinnung aus Schmutz- oder Salzwasser mit Hilfe von Solarenergie. Mittels Sonnnenenergie wird Wasser verdunstet, im oberen Teil der Vorrichtung kondensiert und aufgefangen. Dadurch wird entmineralisiertes Wasser gewonnen.
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Aus
DE 103 53 544 B3 ist eine Vorrichtung zur Gewinnung von Süßwasser aus Salzwasser bekannt. Die Vorrichtung besteht aus einem Bauwerk (z. B. eine Pyramide), welches von einer durchsichtigen, geschlossenen Hülle umgeben ist. Das Salzwasser wird zunächst auf die Spitze des Bauwerks gepumpt und von dort aus auf die Außenwände versprüht. Durch die Sonneneinstrahlung wird das Wasser zum Verdunsten gebracht und kondensiert an den Innenwänden der durchsichtigen Außenhülle, wo es an der Wand abfließt und in einer Rinne als Süßwasser oder Reinwasser aufgefangen wird.
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US 6 500 216 B1 beschreibt ein Gehäuse zur Süßwasser- und/oder Salzgewinnung, durch welches mittels eines Gebläses warmer Wind geleitet wird, was zur Auskristallisierung des Salzes führt. Die Zufuhr des Salzwassers aus einem ersten Tank erfolgt dabei an der oberen Längsachse des Daches durch ein mit Löchern versehenes Rohr. Das Wasser fließt zunächst zwischen einem äußeren und einem inneren Dach entlang nach unten und wird aufgefangen und in einen zweiten Tank geleitet. Aus diesem zweiten Tank wird das Wasser schließlich ins Gebäudeinnere versprüht, wo es auf 40–60 °C erhitzt wird. Das Wasser verdampft und wird durch eine Öffnung am Dachgiebel in den Zwischenraum zwischen äußerem und innerem Dach geleitet, wo es abgekühlt wird und schließlich an der Außenwand entlang nach unten fließt, von wo es dann abgeleitet wird. Die auskristallisierten Salze und Minerale sammeln sich im Inneren des Gehäuses an.
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CH 677 196 A5 beschreibt eine Vorrichtung zur Rauchgasreinigung. In einer Waschkammer wird Rauchgas mit einer Calciumhydroxid-Lauge besprüht und anschließend über einen Wärmeaustauscher durch einen Kamin abgeleitet. Das Versprühen erfolgt über ein Flügelrad, welches durch einen Laugenstrahl angetrieben wird. Die ablaufende Lauge wird einer Regenerationsanlage zugeführt.
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GB 552 889 A beschreibt einen Destillierapparat für die Hochvakuumdestillation, bestehend aus einer Kammer, in welches sich vertikal ausgerichtet ein Verdampfungselement in Form eines Schraubgewindes befindet. Durch einen Zulauf wird die zu verdampfende Flüssigkeit an das obere Ende des Verdampfungselementes geleitet. Das Verdampfungselement enthält zusätzlich ein Heizelement. Mittels einer Vakuumpumpe wird in der Kammer ein Unterdruck erzeugt. Das sich an der Kammerinnenwand absetzende Destillat wird über die Kammer ringförmig umgebende Ablaufrinnen abgeleitet. Die hier beschriebene Vorrichtung ist lediglich zur Auftrennung einer Flüssigkeit in mehrere Fraktionen geeignet.
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GB 144 631 A offenbart eine Vorrichtung zur Konzentrierung von Sirup und Frucht- oder Gemüsesäften, bestehend aus zwei in einer Ebene ineinander liegenden Metallringen, von denen Stofftrommeln herab hängen. Über Zerstäuber wird die Flüssigkeit von oben auf die Stoffbahnen gesprüht, an denen es in einen Tank läuft.
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Weitergehende technische Lösungen zur intensiveren Nutzung solarer Energie für die Aufkonzentrierung von salzhaltigen Lösungen oder der Gewinnung von Süßwasser aus diesen Lösungen bedienen sich mehr oder weniger komplexer mechanischer Einrichtungen und Aufbauten wie Plattenwärmetauschern, und nutzen zum Teil Vakuum (
WO 2000/044467 A1 ,
US 7,422,663 B2 ;
WO 1999/026884 A1 ,
US 4,863,567 B1 ,
US 5,094,721 B1 ].
WO 99/26884 A1 und
DE 101 55 080 A1 beschreiben kegelförmige Hauben aus transparenten Kunststoffen, die auf Meerwasser aufgesetzt werden und bei denen das an den Wänden kondensierte Wasser aufgefangen und als Trinkwasser genutzt werden soll. Die Haube soll offensichtlich einen Verdunstungsraum schaffen, wobei die durch die Sonne erwärmte Haube der Kondensation eigentlich entgegenwirkt. Diese Vorrichtungen verursachen zum einen hohe Investkosten und zum anderen erlauben sie keine Kristallisation großer Salzmengen mit den beschriebenen Apparaten selbst.
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Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Probleme der Pond-Technologie zu überwinden ohne dabei den technischen Aufwand wesentlich zu erhöhen und dabei eine Vorrichtung und ein Verfahren zur solaren Eindampfung von Salzlösungen zu erstellen, bei dem Wertstoffe wie Lithiumsalze von sehr niedriger Anfangskonzentration bei gleichzeitiger Kristallisation mehr oder weniger großer Mengen anderer Salze oder salzartiger Verbindungen so aufkonzentriert werden, dass sie wirtschaftlich gewonnen werden können. Insbesondere sollen mit der Erfindung gegenüber der Pond-Technologie die Eindampfungsraten erhöht werden, so dass auch in Gebieten mit weniger trockenem Klima und ausgeprägten Regenperioden eine solare Eindampfung konzentrierter Salzlösungen zur Gewinnung von Wertstoffen wirtschaftlich wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, den spezifischen Flächenbedarf zu reduzieren und die Eindampfungsorte von der Verfügbarkeit großer, zusammenhängender ebener Flächen unabhängig zu machen. Weiterhin soll mit der Erfindung eine größere Sicherheit bei den Investitionskosten erreicht werden. Ein angestrebtes Produktionsvolumen an aufkonzentrierter Lösung bzw. an auskristallisierten Salzkomponenten soll sich durch entsprechende Vervielfachung der Eindampfungsvorrichtungen realisieren lassen. Der technische Aufbau der Eindampfer sollte sich einfach gestalten, mit kostengünstig verfügbaren, falls erwünscht größtenteils mit natürlichen Materialien auskommen und in kurzer Zeit vollziehbar sein.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 7 gelöst. Weitere Ausgestaltungen enthalten die Unteransprüche 2 bis 6 und 8 bis 15.
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Mittels mindestens eines Eindampfers mit einem Eindampfungskörper und einer Aufnahmevorrichtung für Salzlösung, wird die einzudampfende Salzlösung auf einen rotierenden Verteiler mit horizontaler Rotationsebene geleitet und von dort radial direkt oder über einen Prallzylinder auf den oberen Teil des Eindampfungskörpers mit nach außen geneigt verlaufenden Ablaufflächen, dessen Oberfläche einer solaren Erwärmung und dem Wind ausgesetzt ist, verteilt, so dass beim herunter Laufen die Salzlösung auf der Oberfläche des Eindampfungskörpers Wasserdampf an die Umgebung abgibt.
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Im unteren Teil des Eindampfungskörpers wird die ankommende Lösung zur weiteren Verarbeitung von der am unteren Teil des Eindampfungskörpers angeordneten wannen- oder rinnenförmigen Aufnahmevorrichtung gesammelt oder zur weiteren Eindampfung wieder zu dem Verteiler rückgeführt. Je nach Sättigungsgrad der Lösung wird dabei eine mehr oder weniger große Menge Salz auf der Oberfläche des Eindampfungskörpers und in der darunter befindlichen Aufnahmevorrichtung abgeschieden.
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Über einem nach oben verjüngten Eindampfungskörper mit geneigt verlaufenden Ablaufflächen ist mittig ein rotierender Verteiler zur Aufgabe von Salzlösungen und am unteren Teil des Eindampfungskörpers eine wannen- oder rinnenförmige Aufnahmevorrichtung für die Salzlösungen angeordnet.
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Der Eindampfungskörper ist vorteilhaft kegel- oder kegelstumpfförmig oder weist die Form einer Halbkugel oder die Formen einer gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Pyramide auf. Das Verfahrensprinzip ist für den Eindampfungskörper nicht streng an eine Kegel- oder Kegelstumpfform gebunden. Das Verfahren kann auch mit mehr oder weniger gleichmäßig ausgebildeten Pyramidenflächen oder der Form einer Halbkugel mit aufgesetztem Verteiler für die einzudampfende Lösung erreicht werden.
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Gefunden wurde, dass zur solaren Eindampfung ein Verfahren unter Verwendung eines wie vor beschriebenen Eindampfungskörpers zur Anwendung gelangt. Dabei wird eine aufzukonzentrierende Lösung, direkt oder über einen Prallzylinder, von einem rotierenden Verteiler geleitet und auf den oberen Teil des der Sonnenstrahlung ausgesetzten Eindampfungskörpers verteilt. Beim Herunterlaufen auf der Oberfläche des Eindampfungskörpers erfolgt die Abgabe von Wasserdampf an die Umgebung, wobei je nach Sättigungsgrad der Lösung Salz auf der Oberfläche abgeschieden wird und die im unteren Teil des Eindampfungskörpers ankommende Lösung z. B. in einer Wanne oder Rinne zur weiteren Verarbeitung gesammelt oder auch zur weiteren Eindampfung wieder zum Verteiler rückgeführt wird.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird gegenüber der Pondtechnik mit einem einfachen Aufbau eine intensivere Eindampfung erreicht und somit pro zu verdampfender Wassermenge weniger Grundfläche oder eine kürzere Zeitspanne benötigt.
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Ein weiterer Vorteil besteht in der flexibleren Standortwahl der Eindampfereinheiten.
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Während die Pondtechnologie auf große zusammenhängende Ebenen angewiesen ist, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Eindampfungseinheiten auf kleineren Flächen auch im teilweise schrägen Gelände stationiert werden. Darüber hinaus kann in direkterer Art und Weise als in der Pondtechnik die selektive Abscheidung unterschiedlicher Salze gesteuert werden. Bei gegebener Eindampfergeometrie sind die Pumpgeschwindigkeit und die Lösungsführung über die einzelnen Eindampfereinheiten die wichtigsten Steuergrößen.
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Die Dosierung der Lösung auf den Verteiler kann durch Pumpen, Schöpfen oder durch Ausfließen aus einem höher gelegenen Vorratsgefäß erfolgen.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die nach dem Herunterlaufen gesammelte Salzlösung einem Verteiler eines weiteren Eindampfungskörpers zugeleitet. Damit ist sowohl eine Aufkonzentration als auch eine fraktionierende Kristallisation der Salze möglich.
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Über dem Eindampfungskörper kann eine mantelförmige Aufwärmhaube angebracht sein, deren Oberfläche so beschaffen ist (z. B. schwarz und rau), dass sie sich durch Absorption der Sonnenstrahlung möglichst stark aufheizt, dabei die unter ihr befindliche Luftschicht aufwärmt und eine Luftströmung nach oben erzeugt. Dies verstärkt die Verdampfung aus der dem Luftstrom entgegenlaufenden Salzlösung auf dem Eindampfungskörper. Der nach oben austretende Luftstrom kann auch mit zum Antrieb des Verteilers benutzt werden.
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Höhe und Durchmesser des Eindampfungskörpers sind mit der Verdampfungsgeschwindigkeit, der Menge an auskristallisierendem Salz und dem beabsichtigten Durchsatz abzustimmen. Typische Maße liegen zwischen 0.5–3.0 m Höhe und 1.0–5.0 m Durchmesser am Fuß. Die Salzlösung wird mit einer Volumengeschwindigkeit von 1 bis 200 Liter pro Minute über die Oberfläche des Eindampfungskörpers geleitet. Die Volumengeschwindigkeit wird in Abhängigkeit der Bauhöhe gewählt. Vorzugsweise beträgt sie bei einer Bauhöhe von 1 bis 2 m 3 bis 20 Liter pro Minute.
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Zur Fraktionierung der einzudampfenden Salzlösung wird nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kristallisierendes Salz geringerer Löslichkeit während mehrmaliger Verdampfungszyklen auf ein und demselben Eindampfer geerntet oder es wird auf der Oberfläche des Eindampfungskörpers kristallisierendes Salz mit einer Folie abgedeckt und die weiter einzudampfende Salzlösung dann über die Oberfläche der Folie geleitet.
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Je nach Zielstellung kann das auskristallisierte Salz auf der Oberfläche zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Eindampfung ganz oder teilweise entfernt werden. Das kann der Trennung unterschiedlicher Salzminerale, die sich nacheinander ausscheiden, dienen. Diese Trennung kann auch erreicht werden, wenn auf den Eindampfungskörper zu einem gewünschten Zeitpunkt eine weitere Folie aufgelegt wird, auf der dann die weitere Eindampfung erfolgt.
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Die Fraktionierung kann auch dadurch erreicht werden, dass die einzudampfende Lösung nacheinander auf eine Anzahl von Eindampfkörpern geleitet wird, so dass sich die jeweiligen Salze mit fortschreitender Aufkonzentration an den jeweiligen Eindampfern abscheiden.
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Der Eindampfer der Vorrichtung zur solaren Eindampfung von Salzlösungen umfasst
- – einen Eindampfungskörper mit nach außen geneigt verlaufenden Ablaufflächen,
- – einen oberhalb des Eindampfungskörpers horizontal angeordneten rotierenden Verteiler zur Aufgabe von Salzlösungen,
- – eine Fördereinrichtung zur Zuleitung von Salzlösung zum Verteiler,
wobei am unteren Teil des Eindampfungskörpers eine wannen- oder rinnenförmige Aufnahmevorrichtung für die Salzlösungen angeordnet ist.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist der rotierende Verteiler in Form einer Scheibe, eines Tellers oder eines beliebigen rotationssymmetrischen Gefäßes mit einer oder mehreren Auslauf- oder Überlauföffnungen ausgebildet.
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Vorteilhaft ist um den rotierenden Verteiler ein Prallzylinder angeordnet. Damit erfolgt die Verteilung der Salzlösung windunabhängiger und bei schneller Rotation des Verteilers wird die Verteilung der Salzlösung auf die Oberfläche des Eindampfungskörpers begrenzt. Der Prallzylinder ist insbesondere dann bei starker Rotation oder starkem Wind von Vorteil, denn ohne Prallzylinder würde die vom Verteiler zu verteilende Salzlösung über die Ablauffläche des Eindampfungskörpers hinaus geschleudert.
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Der Prallzylinder kann auch nach unten verjüngt als Kegelstumpf ausgeführt sein.
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Die Fördereinrichtung zum Verteiler ist eine Pumpe, ein Schöpfwerk und/oder ein höher gelegener Vorratsbehälter für Salzlösung mit entsprechender Zuführungsleitung für die Salzlösung zum Verteiler. Pumpe oder Schöpfwerk werden elektrisch betrieben und sofern kein Stromanschluss vorhanden ist über Batterie und/oder Solaranlage.
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Der rotierende Verteiler ist mit einem Windrad bekannter Formen gekoppelt und kann integrierter Bestandteil dieses Windrades sein.
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Der Eindampfungskörper, auf dessen Oberfläche sich die solare oder durch Wind bewirkte Eindampfung vollzieht, ist nach vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Kegels, Kegelstumpfes oder auch in einer der Pyramide oder Halbkugel nahekommenden Form ausgebildet.
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Nach vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist der Eindampfungskörper als Vollkörper aus Salz oder mineralischen Baustoffen wie Gips, Anhydrit, Ton, Kalk, Sorelbeton ausgebildet, auf die Materialien geringer Lösungspermeabilität aufgebracht sind oder dessen Oberfläche für die ablaufende Salzlösung undurchlässig ausgebildet ist.
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Für den Aufbau des Eindampfungskörpers kommen die unterschiedlichsten Materialien und Konstruktionsarten in Frage, je nach beabsichtigter Lebensdauer und Verfügbarkeit. An das Material besteht lediglich die Forderung, dass keine größeren Lösungsmengen in den inneren Teil des Eindampfungskörpers laufen und eine genügende mechanische Stabilität der Konstruktion gewährleistet ist. So kann eine Konstruktion aus tragenden Elementen wie Rohren, Stangen oder Gitter bestehen, über die Textilien, Leder oder Folien gelegt, gerollt oder gespannt werden. Der Eindampfungskörper kann auch direkt aus Metall oder Kunststoff geeigneter Wandstärke oder deren Kombinationen gefertigt werden. Selbst ein Kegel aus Salz oder einem mineralischen Baustoff wie z. B. Gips, Anhydrit, Kalk, Ton kann als Berieselungsfläche dienen, wenn durch geeignete Maßnahmen ein stärkeres Eindringen von Lösung in das Innere des Eindampfungskörpers vermieden wird. Solche Maßnahmen können im Auflegen bzw. Befestigen der oben genannten Textilien, Leder oder Folien bestehen oder im Abdichten der Salz- oder Baustoffoberfläche durch Verschließen der Poren mit in der Salzlösung bei den zu erwartenden Temperaturen wenig löslichen Stoffen. Schließlich kann das Salz oder der Baustoff des Eindampfungskörpers selbst schon dicht genug sein oder durch mechanische Verdichtung auf die gewünschte Dichtheit gebracht werden.
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Auf die Oberfläche des Eindampfungskörpers können zur Beeinflussung des Fließweges der herab fließenden Lösung weitere Elemente wie Schnüre, Ringe etc. aufgebracht sein.
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Der Eindampfungskörper kann in sehr unterschiedlicher Weise aus verschiedensten Materialien gefertigt sein, an die nur die Forderung gestellt ist, dass keine größeren Mengen an Salzlösung in das Innere des Eindampfungskörpers penetrieren und die Konstruktion in sich mechanisch so stabil ist, dass sie den klimatischen Bedingungen, insbesondere dem Wind, stand hält.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Eindampfungskörper als Hohlkörper mit tragenden Elementen wie Stangen, Rohren oder Gitter gefertigt, über die Planen aus Gewebe, Leder oder Folien aus Kunststoff oder Metall gelegt, gerollt oder gespannt sind. Dies erlaubt insbesondere in abgelegenen oder in schwer erreichbaren Gegenden einen einfachen Aufbau.
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Je nach angestrebten Regime der Zuführung der Salzlösung auf den Eindampfungskörper kann die darunterliegende Fläche als Vorratsbecken für einzudampfende oder eingedampfte Lösung ausgeführt sein oder der untere Teil des Eindampfungskörpers kann nach bekannten Prinzipien so gestaltet sein, dass die Lösung gesonderten Behältnissen zugeführt wird.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist über dem Eindampfungskörper eine einoder mehrteilige Aufwärmhaube angeordnet. Die Aufwärmhaube erlaubt im unteren Teil den Eintritt von Luft zwischen beiden Körpern. Dadurch wird ein von der erwärmten Luft verursachter Kamineffekt wirksam.
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Die Oberfläche der Aufwärmhaube ist so beschaffen (z. B. schwarz und rau), dass sie sich durch Absorption der Sonnenstrahlung möglichst stark aufheizt, dabei die unter ihr befindliche Luftschicht aufwärmt und eine Luftströmung nach oben erzeugt. Dies verstärkt die Verdampfung aus der dem Luftstrom entgegenlaufenden Salzlösung auf dem Eindampfungskörper. Der nach oben austretende Luftstrom kann auch mit zum Antrieb des Verteilers benutzt werden.
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Arbeitet man mit einer Aufwärmhaube, so ist deren Abstand so bemessen, dass einerseits der Abstand zum Eindampfungskörper möglichst klein, andererseits aber groß genug ist damit die sich bildende Salzkruste auf dem Eindampfungskegel nicht die Fließwege verstopft. Ist die Aufwärmhaube mehrteilig oder vom unterliegenden Eindampfungskörper leicht abhebbar gestaltet, so kann die Salzkruste in bestimmten zeitlichen Abständen entfernt oder reduziert und so der Abstand zwischen beiden Körpern minimiert werden.
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Unter klimatischen Verhältnissen mit starken Tag-Nacht-Schwankungen der Temperatur kühlt der äußere Eindampfungskörper gegenüber dem Innenraum sehr viel schneller ab. Dadurch wird wiederum eine Triebkraft zur Verdampfung von Wasser aus der auf den wärmenden inneren Eindampfungskörper herunter laufenden Salzlösung geschaffen. Die Aufwärmhaube wirkt somit als Kondensator.
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Die Temperaturdifferenz zwischen dem Eindampfungskörper und der Aufwärmhaube kann bei äußerer Abkühlung vergrößert werden, wenn der Innenraum des Eindampfungskörpers mit einem Material mit möglichst großer Wärmekapazität gefüllt ist. Letzteres kann Salz selbst oder ein oder mehrere mit Salzlösung oder Latentwärmespeichermaterial aus Salzhydraten gefüllte Behälter sein. Die Wärme speichernde Salzlösung kann auch die eingedampfte oder einzudampfende Lösung selbst sein.
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Bei Anordnung einer Aufwärmhaube weist die Unterseite der Aufwärmungshaube vorteilhaft einen Sammelbehälter für die Aufnahme des Kondenswassers auf. Damit wird gesichert, dass Kondenswasser nicht in die Salzlösung gelangt.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Eindampfungskörper mit Wärme speicherndem Material befüllt, so dass bei Temperaturabfall der Eindampfungsprozess noch fortgesetzt und bei Anordnung einer Aufwärmhaube der Effekt der Wasserdampfkondensation an der Unterseite des äußeren Kegels verstärkt werden kann.
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Das Wärme speichernde Material ist Salz selbst, ein Behälter mit Salzlösung oder Latentwärmespeichermaterial.
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Vorteilhaft können mehrere Eindampfer hintereinander geschaltet werden. Dazu ist die Fördereinrichtung des ersten Eindampfers mit dem Verteiler des nächstfolgenden Verteilers verbunden usw. Die Salzlösung wird vom Auffangbecken des ersten Eindampfers über den Verteiler und dessen Eindampfungskörper geleitet. Beim Ablaufen wird Wasser aus der Salzlösung verdampft. Vom Auffangbecken des ersten Eindampfers wird die Salzlösung über eine nächste Fördereinrichtung dem zweiten. Eindampfer zugeführt und dort weiter verdampft, usw.
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Anhand beigefügter Darstellungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 Schnittdarstellung einer Vorrichtung mit kegelförmigen Eindampfungskörper,
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2 Schnittdarstellung einer Vorrichtung mit einem von einer Aufwärmhaube umgebenen Eindampfungskörper,
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3 Schnittdarstellung einer Vorrichtung mit innen liegendem Sammelbehälter,
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4 Seitenansicht mehrerer nacheinander geschalteter Eindampfer,
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5 Seitenansicht eines Eindampfers mit aus Stangen gebildetem Eindampfungskörper.
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In 1 ist eine Vorrichtung zum Eindampfen von Salzlösungen mit einfachem Kegel im seitlichen Schnitt dargestellt.
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Der Eindampfungskörper ist hier in Form eines Kegels ausgebildet. Mittig über diesem Eindampfkegel 4 ist ein rotierender Verteiler mit einem nach unten verjüngten Prallzylinder 3 zur Aufgabe von Salzlösungen angeordnet. Die entsprechende Lösung 1 wird mit einer Pumpe P über die Zuleitung A dem Verteiler zugeführt. Der rotierende Verteiler ist hier tellerförmig ausgeführt und weist mehrere Auslauföffnungen auf. Er wird durch ein windgetriebenes Laufrad 2 in Rotation versetzt. Die Fläche unter dem Kegel ist hierbei als Vorratsbecken für die einzudampfende und als Auffangbecken für die eingedampfte Lösung ausgeführt.
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Der Eindampfkegel 4 steht im Auffangbecken und die Salzlösung 1 wird vom Becken über den Verteiler und Eindampfungskegel im Kreislauf geführt. Der über das Windlaufrad 2 angetriebene Verteiler rotiert und verteilt die Salzlösung über dessen Auslauföffnungen. Die Salzlösung gelangt auf den Prallzylinder, von dem sie auf den oberen Teil des Eindampfkegels 4 gelangt und an dessen Oberfläche, die der Sonne und dem Wind ausgesetzt ist, abläuft. Beim Ablaufen wird Wasser aus der Salzlösung verdampft.
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Unter Bedingungen eines Hochgebirgssalars werden mit einem Kegel dieser Bauart bei 2 m Höhe und 3 m Durchmesser Verdampfungsraten für Salzlösungen zwischen 50–100 Liter pro Tag erreicht, wenn mit Pumpleistungen von 3 bis 20 Liter pro Minute gearbeitet wird.
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In einem typischen Eindampfungsversuch mit einer Kegelhöhe von 2 m und einem Durchmesser von 3 m hat das Auffangbecken etwa Maße von 4 m × 4 m und 0.3 m Tiefe. Mit 3einem anfänglichen Lösungsvolumen von ca. 3,6 m wurde bei einer Pumprate von 6 L/min unter den Bedingungen des Salar de Uyuni im September die in der nachstehenden Tabelle aufgeführte Aufkonzentration der Lösung und Salzabscheidung erzielt. Die verdampften Wassermengen betrugen nach 10 Tagen ca. 1 m3, nach 22 Tagen 2 m3, nach 30 Tagen 2.5 m3 und nach 35 Tagen 2.7 m3.
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In der nachfolgenden Tabelle sind dazu die erreichten Salzkonzentrationen angegeben:
| Konzentration | Beginn | Nach 10 Tagen | Nach 22 Tagen | Nach 30 Tagen | Nach 35 Tagen |
| g/kg Wasser | | | | | |
| Cl– | 224 | 229 | 249 | 280 | 401 |
| SO4 2– | 12.6 | 18.3 | 32.7 | 52.3 | 42.7 |
| K+ | 11.4 | 17.4 | 35.0 | 48.5 | 23.7 |
| Na+ | 117 | 105 | 70.8 | 38.5 | 14.2 |
| Li+ | 0.46 | 0.70 | 1.48 | 2.4 | 10.4 |
| Mg2+ | 10.9 | 16.6 | 34.5 | 56.4 | 58.6 |
| NaCl (in kg)
KCl (in kg)
Carnallit (in kg)
Epsomit (in kg) | –
–
–
– | 385
–
–
– | 760
–
–
– | 875
9.7
–
– | 929
10.1
184
63 |
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In 2 ist eine Vorrichtung zum Eindampfen von Salzlösungen mit doppeltem Kegel im seitlichen Schnitt dargestellt. Hier ist über dem Eindampfungskegel 4 ein Aufwärmkegel 5 mantelförmig angeordnet. Dabei ist der Aufwärmkegel 5 nach oben im Bereich der Spitze des Eindampfungskegels 4 offen, so dass Lösung zugeführt werden kann. An der Unterseite des Aufwärmkegels 5 kann das Kondenswasser ablaufen und im unteren Bereich des Kegels in einer Auffangrinne 6 gesammelt und zur weiteren Verwendung zur Verfügung gestellt werden. Zu diesem Zweck sollten die Kegel nicht zu flach aufgestellt sein und die Unterseite des Aufwärmkegels 5 so beschaffen sein, dass ein Zurücktropfen des Kondenswassers auf den Eindampfungskegel 4 vermieden wird.
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Die Oberfläche des Aufwärmkegels ist schwarz und rau, so dass sie sich durch Absorption der Sonnenstrahlung möglichst stark aufheizt, dabei die unter ihr befindliche Luftschicht aufwärmt und eine Luftströmung nach oben erzeugt. Dies verstärkt die Verdampfung aus der dem Luftstrom entgegenlaufenden Salzlösung auf dem Eindampfungskegel. Der nach oben austretende Luftstrom kann auch zum Antrieb des Verteilers benutzt werden
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Die Salzlösung 1 wird vom Auffangbecken über den Verteiler und Eindampfungskegel 4 im Kreislauf geführt. Der über das Windlaufrad 2 angetriebene Verteiler rotiert und verteilt die Salzlösung über dessen Auslauföffnungen. Die Salzlösung gelangt auf den Prallzylinder 3, von dem sie auf den oberen Teil des Eindampfkegels 4 gelangt und an dessen Oberfläche unterhalb des Aufwärmkegels abläuft. Beim Ablaufen wird Wasser aus der Salzlösung verdampft.
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Eindampfungskegel 4 und Aufwärmkegel 5 sind der Sonne und dem Wind ausgesetzt. Die oben und unten offene Ausführung des Aufwärmkegels führt zu einer Kaminwirkung insbesondere bei durch Wind oder Tag-Nachtwechsel verursachten Temperaturschwankungen der Oberflächen von Eindampfkegel 4 und Aufwärmkegel 5. Dadurch wird die Verdampfung befördert.
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In 3 ist eine Ausführungsform analog 1 dargestellt mit dem Unterschied, dass sich das Auffangbecken bzw. die Auffanggefäße für die Salzlösung 1 im Innern des Kegels 4 befinden. Die Salzlösung 1 wird hierbei zunächst über einen Schlauch aus dem Innern des Kegels nach oben auf den Verteiler gepumpt und gelangt dann über den Kegelmantel in die Auffangrinne 7 wieder nach innen. Letztere kann als einfache Aufwölbung der Kegelabdeckung mit einer oder mehreren Öffnungen ins Kegelinnere ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Salzlösung zirkulieren bis der gewünschte Eindampfungsgrad erreicht ist. Das innen liegende Sammelbecken hat gewöhnlich ein kleineres Volumen als in der Ausführung wie in 1, typischer Weise ca. 1–2 m3.
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4 zeigt in Seitenansicht oben und in Draufsicht mehrere hintereinander geschaltete Eindampfer entsprechend dem Aufbau nach 1. Die Salzlösung 1 wird vom Auffangbecken über den Verteiler und Eindampfungskegel 4 geführt. Der über das Windlaufrad 2 angetriebene Verteiler rotiert und verteilt die Salzlösung über dessen Auslauföffnungen auf den oberen Teil des Eindampfkegels 4, von dem sie abläuft. Beim Ablaufen wird Wasser aus der Salzlösung verdampft. Vom Auffangbecken des ersten Eindampfers wird die Salzlösung über die Fördereinrichtung dem zweiten Eindampfer zugeführt und dort weiter verdampft, usw.
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Auf diese Weise kann eine selektive Abscheidung von Salzen an den einzelnen Eindampfern erreicht werden.
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5 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Eindampfers mit einem aus Rohrstangen und Ringen aufgebauten kegelförmigen Eindampfungskörpers. Die Rohrstangen weisen dazu eine entsprechende Verbindung an der Spitze auf. Die Ringe werden über die kegelförmig aufgestellten Rohrstangen gelegt und mit diesen befestigt. Dabei entsteht eine windstabile Anordnung, über die Folien gespannt werden. Das Auffangbecken kann ebenfalls einfach aus einer Folie gebildet werden, die entweder in einer Vertiefung oder mittels einer ringförmigen Verspannung unterhalb des Eindampfungskörpers als Auffangbecken zur Aufnahme der Salzlösung angeordnet wird.
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Die Spitze des aus den Rohrstangen gebildeten Eindampfungskörpers trägt den mittels Windlaufrad angetriebenen rotierenden Verteiler und das seitlich dazu angeordnete Prallblech.
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Nicht dargestellt ist die Zuführungsleitung mit Pumpe, die über Batterie und/oder Solaranlage mit Strom versorgt wird.
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Der Eindampfungskörper steht über dem Auffangbecken und die Salzlösung wird vom Becken über den Verteiler und Eindampfungskegel im Kreislauf geführt. Der über das Windlaufrad angetriebene Verteiler rotiert und verteilt die Salzlösung über dessen Auslauföffnungen. Die Salzlösung gelangt auf den Prallzylinder, von dem sie auf den oberen Teil des Eindampfkegels gelangt und an dessen Oberfläche, die der Sonne und dem Wind ausgesetzt ist, abläuft. Beim Ablaufen wird Wasser aus der Salzlösung verdampft.
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Der Eindampfer nach 5 erlaubt eine sehr einfache Ausführung, die in Teilen auch in unwegsame oder schwer erreichbare Gegenden transportiert und vor Ort in unkompliziert aufgebaut werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lösung
- 2
- Laufrad
- 3
- Prallzylinder
- 4
- Eindampfungskegel
- 5
- Aufwärmhaube
- 6
- Auffangrinne
- 7
- Auffangrinne
- A
- Zuleitung
- P
- Pumpe
