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Bereich der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren bei einem Kraftwerk, in welchem
Elektrizität und Wärme erzeugt werden, nach dem
Oberbegriff des beigefügten Patentanspruches 1. Die Erfindung
betrifft auch ein Elektrizität und Wärme erzeugendes
Kraftwerk, ein sogenanntes Kopplungskraftwerk, nach der Art des Oberbegriffes
des beigefügten Patentanspruches 6.
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Hintergrund der Erfindung
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Zur
Elektrizitäts- und Wärmeerzeugung werden Gegendruckkraftwerke
verwendet, bei welchen Dampf, der von einem Verbrennungskessel erzeugt wird,
zunächst in eine Turbine zur Erzeugung von Elektrizität
geleitet wird. Der Dampf, der die Turbine durchströmt hat,
gibt in einem zweiten Schritt Wärme in einem Kondensator
ab, dessen Kühlwasser z. B. in ein Fernwärmenetz
eingespeist wird. Das aus dem kondensierten Dampf gebildete Wasser
wird zurück in den Kessel geleitet, um Dampf zu bilden.
In solchen Kopplungskraftwerken (Kraft-Wärme-Kopplung)
kann die durch den Verbrennungsprozess des Kessels erzeugte Energie
effizient zur Elektrizitäts- und Wärmeerzeugung
genutzt werden, was den Gesamtwirkungsgrad erhöht.
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Im
Kessel des Kopplungskraftwerkes werden als Verbrennungsprodukte
Rauchgase erzeugt, welche eine erhebliche Menge an Wärmeenergie enthalten,
deren Rückgewinnung auch den Wirkungsgrad der Verbrennungsanlage
erhöht. Üblicherweise werden sowohl das Speisewasser
des Kessels (Ekonomiser) als auch die Verbrennungsluft und gegebenenfalls
auch das Fernwärmewasser mit den Rauchgasen des Kraftwerkkessels
geheizt.
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Obgleich
mit einem Gegendruckkraftwerk ein guter Gesamtwirkungsgrad erzielt
wird, liegt das Problem vor allem in der Belastungsvariation des Heizbedarfs
wegen Jahreszeitwechsel. Anderseits besteht die Nachfrage nach Elektrizität
zu jeder Jahreszeit. Während der warmen Jahreszeiten ist
die Temperatur des Rückwassers im Heizungswasserkreislauf
zu hoch, um das Rückwasser als Kühlwasser bei
der Kondensation des aus der Turbine kommenden Dampfes zu verwenden.
In bekannter Weise wird bei der Dampfkondensation ein separater
Hilfskondensator verwendet, bei welchem die überflüssige
Wärme ins Wasser oder in die Luft übertragen wird.
Der Hilfskondensator ist sozusagen ein künstlicher Wärmeverbraucher,
welcher die Kühlleistung des Fernwärmewassers
in den warmen Jahreszeiten ersetzt, und dadurch kann der Kraftwerkkessel
mit größeren Lasten angetrieben werden, um Elektrizität zu
produzieren. Der Hilfskondensator ist jedoch eine weitere Investition,
welcher nicht während der ganzen Heizperiode in Betrieb
ist.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue Lösung
zum Kontrollieren von Jahreszeitvariationen bei der Heizungslast
eines Kopplungskraftwerkes vorzuschlagen, so dass man mit geringeren
Geräteinvestitionen zurechtkommt.
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Zur
Erfüllung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße
Verfahren in erster Linie dadurch gekennzeichnet, was in dem kennzeichnenden
Teil des unabhängigen Patentanspruches 1 beschrieben wird.
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Das
erfindungsgemäße Kraftwerk ist seinerseits in
erster Linie dadurch gekennzeichnet, was in dem kennzeichnenden
Teil des unabhängigen Patentanspruches 7 beschrieben wird.
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Die
weiteren abhängigen Patentansprüche stellen einige
vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.
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Die
Erfindung basiert darauf, dass ein ein Kondensator für
Rauchgase eines Kraftwerkkessels, je nach dem jahreszeitlichen Heizbedarf,
alternativ zum Heizen des Kreislaufwassers oder zum Kühlen des
Kreislaufwassers verwendet wird. Im erstgenannten Fall werden die
Kesselrauchgase durch den Kondensator geleitet, in welchem Wärme
aus den Rauchgasen ins Kreislaufwasser übertragen wird.
Im letztgenannten Fall werden die Rauchgase an dem Kondensator vorbeigeführt,
durch welchen jetzt Luft geleitet wird, die das Kreislaufwasser
abkühlt. Das Kreislaufwasser läuft in einem sogenannten
Heizungswasserkreislauf, welcher zur Heizung von Gegenständen
außerhalb des Kraftwerkes vorgesehen ist, so dass die Wärme
aus dem Kreislaufwasser in die Innenräume übertragen
wird, welche warm gehalten werden sollen. Typischerweise handelt
es sich bei dem Kreislaufwasser um sogenanntes Fernwärmewasser,
d. h. der Heizungswasserkreislauf des Kraftwerkes gehört
zu einem Fernwärmenetz, mit dessen Wasser eine Vielzahl
von Häusern geheizt wird.
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Das
größte Teil der in den Rauchgasen enthaltenen
Energie ist sog. Latentwärme, d. h. die Energie des Wasserdampfes,
welcher als Verbrennungsprodukt entsteht. Insbesondere bei feuchten Festbrennstoffen,
wie z. B. bei Biobrennstoffen oder bei Abfallkomponenten enthaltenden
Brennstoffen, ist der Anteil der Latentwärme erheblich.
Diese Energie kann in dem Rauchgaskondensator rückgewonnen
werden, in welchem der Wasserdampf kondensiert und Wärmeenergie
abgibt. Mit Hilfe der Rauchgaskondensatoren wird Wärme
aus den Rauchgasen sowohl ins Fernwärmewasser als auch
in die Verbrennungsluft des Kessels übertragen.
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Die
Verwendung eines Rauchgaskondensators wird u. a. in der
finnischen Patentschrift 82767 , welche
mit der
US-Patentschrift 4,799,941 übereinstimmt,
und in der
finnischen Patentanmeldung 20075013 beschrieben.
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Der
Rauchgaskondensator wird während der Hauptheizperiode verwendet,
wobei die im Kondensator enthaltene Wärmeenergie zur Heizung
benutzt wird, indem Kondensationswärme in das Heizungswasser übertragen
wird. Außerhalb der Hauptheizperiode, d. h. im Frühjahr,
im Sommer und im Herbst, kann er sogar für 4000 Stunden
pro Jahr außer Betrieb sein. Die Rückwassertemperatur
des Heizungswasserkreislaufes tendiert dazu, gerade in den warmen
Jahreszeiten, während denen der Rauchgaskondensator nicht
verwendet wird, zu hoch für die Elektrizitätsproduktion
zu steigen. Wenn die Rauchgase an dem Kondensator vorbeigeführt
werden und Luft durch den Kondensator geleitet wird, kann der Rauchgaskondensator
als Kühler verwendet werden. Wenn das Rückwasser
des Heizungswasserkreislaufes mit dem Rauchgaskondensator gekühlt
wird, kann die Rücktemperatur des Rückwassers
gesenkt werden, wobei die Elektrizitätsproduktion steigt.
Ein separater Hilfskondensator wird nicht benötigt, da das
Rückwasser mit dem Rauchgaskondensator gekühlt
wird und das gekühlte Rückwasser zur Kondensation
des Dampfes verwendet werden kann. Auf diese Weise kann der Rauchgaskondensator
als eine Art Hilfskondensator außerhalb seiner eigentlichen Betriebsperiode
verwendet werden, indem man anstatt der Rauchgase die Strömung
eines kühlenden Mediums durch den Kondensator schaltet.
Der Rauchgaskondensator ist jährlich länger in
Betrieb, was die Rückzahlungszeit der Kondensatorinvestition
abkürzt.
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Der
Rauchgaskondensator kann ein blosser Kondensator sein, oder ein
Wäscher mit einem Umlauf für Waschlösung
kann daran angeschlossen sein.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren näher beschrieben. Es zeigt:
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1 schematisch
eine erste Ausführungsform des Verfahrens,
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2 schematisch
eine zweite Ausführungsform des Verfahrens,
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3 schematisch
eine dritte Ausführungsform des Verfahrens, und
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4 schematisch
die Lage eines Rauchgaskondensators in einem Kraftwerk.
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In
den 1 bis 4 sind entsprechende Teile mit
entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet, und sie werden nachher
nicht einzeln erläutert, wenn es nicht zwecks Verständlichkeit
notwendig ist.
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In 1 ist
die erste Methode dargestellt, um den Rauchgaskondensator in einem
Kraftwerk zum Kühlen zu verwenden. Normalerweise während
der Heizperiode strömen die aus dem Kessel austretenden
Rauchgase entlang eines Rauchgaskanals 1 in einen Rauchgaskondensator 2,
aus welchem sie weiter in einen Schornstein geleitet werden. Die
normale Laufbahn der Rauchgase, d. h. die Lage des Rauchgaskanals
während der Hauptheizperiode ist mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet.
Durch den Kondensator 2 ist auch ein Wasserkreislauf 3 geführt,
welcher durch einen in dem Kondensator angeordneten Wärmetauscher 2a läuft,
in welchem die durch die Rauchgaskondensation erzeugte Wärme
in einer indirekten Wärmeübertragungsweise ins
Wasser übertragen wird, d. h. das Wärme ausgebende
Medium und das Wärme übernehmende Medium sind
von einander auf verschiedene Seiten der Wandungen getrennt, welche
ihre Laufwege begrenzen. Der Wasserkreislauf 3 ist ein
Heizungswasserkreislauf, mit welchem Gegenstände außerhalb
des Kraftwerkes geheizt werden. Die Rückwasserlinie des
Wasserumlaufes gegenüber dem Kondensator ist mit dem Bezugszeichen 3a bezeichnet
und die Linie des zur Heizung abströmenden Wassers ist
mit Bezugszeichen 3b bezeichnet. Ein Teil der Rückwasserlinie 3a läuft in
Form einer Schleife 3c durch den Wärmetauscher 4,
in welchem die Wärme in das gekühlte Umlaufwasser 5a eines
Befeuchters 5 für Verbrennungsluft des Kessels übertragen
wird. Auf diese Weise kann die Temperatur des Rückwassers
schon vor dem Rauchgaskondensator gesenkt werden.
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In 1 ist
die Schaltung bei dem Rauchgaskondensator 2 dargestellt,
welche außerhalb der Hauptheizperiode verwendet wird. In
dem Rauchgaskanal 1 ist eine den Kondensator umgehende
Umleitung angeordnet, mit welcher die Rauchgase an dem Kondensator
entlang des Kanals 1a direkt in den Schornstein vorbeigeführt
werden. Der Kanal 1a zweigt von dem in den Kondensator
laufenden Rauchgaskanal 1 ab. Am oberen Ende des Kondensators 2 ist
ein Luftkanal angebracht, durch welchen die vom außen genommene
Luft durch den Kondensator geblasen wird. Der in das obere Ende
des Kondensators laufende Rauchgaskanal 1 ist entsprechenderweise
geschlossen, um die Rauchgase vorbei an dem Kondensator in den Umleitungskanal 1a strömen
zu lassen. Die durch den Kondensator 2 von oben nach unten
gelaufene Luft strömt in den Rauchgaskanal 1,
welcher während der Hauptheizperiode verwendet wird und
aus welchem die Luft als Verbrennungsluft genommen oder direkt entlang
des Kanals 1b herausgeführt wird, welcher Kanal
von dem Rauchgaskanal 1, der nach dem Kondensator zum Schornstein
läuft, abzweigt.
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Die
durch den Kondensator 2 strömende Luft kühlt
in dem Wärmetauscher 2a das Wasser des Wasserkreislaufes 3,
wobei die Temperatur des Ausgangswassers 3b niedriger ist
als die Temperatur des Rückwassers 3a.
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Der
Wasserumlauf des Kondensators 2, wo Wasser in die durch
den Kondensator strömende Luft eingespritzt wird, ist in 1 mit
dem Bezugszeichen 7 bezeichnet. Immer wenn der Kondensator 2 zur Kondensation
der Rauchgase verwendet wird, ist der Wasserumlauf in Betrieb. Der
Wasserumlauf kann in Betrieb sein, wenn der Kondensator 2 zum
Kühlen des Fernwärmewassers verwendet wird. Die
Wärmeübertragung ist dabei effizienter, aber zusätzliche Kosten
entstehen durch Wasserverbrauch. Der in den Rauchgaskanal 1 vor
dem Kondensator angeordnete Vorabscheider, z. B. ein Elektrofilter,
ist mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet.
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Ein
Teil des Rückwassers wird durch die Schleife 3c in
einen indirekten Wärmetauscher 4 geleitet, in
welchem das Rückwasser effizient mit dem Wasser des Wasserumlaufes 5a des
Verbrennungsluftbefeuchters 5 gekühlt wird. Der
Verbrennungsluftbefeuchter wird ebenfalls nicht außerhalb
der Hauptheizperiode verwendet, und die von draußen genommene
Luft kann durch den Befeuchter geleitet werden, und dabei kühlt
die Luft das in das obere Teil des Befeuchters eingespritzte Wasser
des Wasserumlaufes und wird danach entfernt. Im Normalfall, wenn
die Schaltung gemäß 1 nicht
zum Kühlen des Wassers des Wasserkreislaufes 3 verwendet wird
und Rauchgase durch den Kondensator 2 geleitet werden,
kann Verbrennungsluft in den Befeuchter 5 aus dem oberen
Teil des Kesselraumes des Kraftwerkes genommen werden, wobei die
Temperatur der Verbrennungsluft höher ist.
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Schon
eine Senkung der Wassertemperatur des Wasserkreislaufes um einige
Grade hilft, um die Elektrizitätsproduktion zu erhöhen,
da die Dampfkondensation effizienter ist. Die Temperatur des Eingangswassers 3a kann
z. B. 40 bis 65 Grad und die Temperatur des Ausgangswassers 3b 35
bis 60 Grad betragen. Das mit Hilfe des Rauchgaskondensators 2 und
des Verbrennungsluftbefeuchters 5 gekühlte Ausgangswasser 3b kann
durch einen Kondensator für den aus der Turbine strömenden
Dampf geleitet werden, in welchem Wärme wieder in das Wasser übertragen
wird.
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In 4 ist
die Lage der in den 1 bis 3 gezeigten
Rauchgaskondensatoren 2 in einem Gegendruckkraftwerk dargestellt.
In den beiden vorher beschriebenen Betriebsarten sowohl während der
Hauptheizperiode als auch außerhalb der Hauptheizperiode
sind die Schaltungen dieselben, abgesehen von dem Verlauf des Rauchgases,
und die beiden Betriebsarten des Rauchgaskondensators 2 haben
es gemeinsam, dass mit dem Kreislaufwasser 3, das durch
den Rauchgaskondensator 2 geströmt ist, der aus
einer Turbine T strömende Dampf in einem Wärmetauscher 10 gekühlt
wird, in welchem die Temperatur des Kreislaufwassers gleichzeitig steigt.
Das Ausgangswasser 3b des Kondensators 2 strömt
in den Wärmetauscher 10 zur Kondensation des Rückdampfes
der Turbine T, welche in dem Kraftwerk den Generator G antreibt,
wonach das Wasser in das Fernwärmenetz, dessen Verbrauchergegenstände
mit Buchstaben K bezeichnet sind, zurückkehrt. In dem Schema
sind auch der Verbrennungskessel 11, der aus dem Kessel
in die Turbine T laufende Frischdampfkanal 12 und der aus
der Turbine laufende Kanal 13 für Anzapfdampf
zu sehen. Der für den zu kondensierenden Dampf vorgesehene
Kanal, welcher aus der Turbine durch den Wärmetauscher 10 kommt
und in den Speisewasserbehälter 15 des Verbrennungskessels
geht, ist mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet. Die Erfindung
ist jedoch nicht nur auf Kraftwerke beschränkt, bei denen
genau die beschriebenen Schaltungen Verwendung finden.
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Während
der Hauptheizperiode (im Winter) sind der Rauchgaskondensator 2 und
der Verbrennungsluftbefeuchter 5 in Normalbetrieb. Bei
großen Kessellasten besteht dabei kein Nachteil darin,
dass das Heizungswasser nach dem Kondensator geheizt zur Kondensation
des Turbinendampfes strömt. Wenn man Wärme aus
dem Wasser des Heizungswasserkreislaufes 3 auf der oben
beschriebenen Weise in den wärmeren Zeiten verlorengehen
lässt, kann man den Kessel mit größeren
Lasten antreiben und mehr Elektrizität produzieren.
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In 2 ist
eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher der beschriebene
Prozess nur hinsichtlich des Rauchgaskondensators 2 beschrieben wird.
Bei dieser Ausführungsform ist an dem Kondensator 2 ein
Rauchgaswäscher 9 angeschlossen, welcher sich
unterhalb des Kondensators 2 in demselben Behälter
befindet. Der Rauchgaskanal 1 läuft von unten
in das untere Ende des Behälters. Die Rauchgase strömen
zuerst nach oben durch den Wäscher 9 gegen die
Waschmitteleinspritzung und danach laufen sie durch den in dem oberen
Teil befindlichen Kondensator gegen das eingespritzte Wasser des Wasserumlaufes 7 des
Kondensators. Wenn der Kondensator während der Hauptheizperiode
verwendet wird, geben die durch den Kondensator strömenden
Rauchgase Wärme in den Wasserumlauf 7 ab, welcher
seinerseits die Wärme nach einem indirekten Prinzip durch
den Wärmetauscher 2a in den Wasserkreislauf 3 weitergibt.
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Wenn
der Kondensator als Rauchgaskondensator funktioniert, wird das Heizungswasser
des Kreislaufwassers 3 mit dem Wasser des Wasserumlaufes 7 geheizt,
d. h. die Temperatur des Ausgangswassers 3b ist höher
als die Temperatur des Rückwassers 3a. Außerhalb
der Hauptheizperiode werden die Rauchgase an dem Behälter
entlang des Umleitungskanals 1a vorbeigeführt,
welcher vor dem Behälter von dem Rauchgaskanal 1 abzweigt
und nach dem Behälter sich wieder an den Rauchgaskanal 1 anschließt.
Mit dem unteren Ende des Behälters ist ein Luftkanal 6 verbunden,
aus welchem von außen genommene Luft geblasen wird, die
durch den Wäscher 9 und den Kondensator 2 strömt
und dabei auch das Umlaufwasser des Kondensators 2 abkühlt. Das
Umlaufwasser kühlt seinerseits das Heizungswasser des Wasserkreislaufes 3 in
dem Wärmetauscher 2a, d. h. der gleiche Effekt
wie in 1 – Senken der Temperatur des Ausgangswassers 3b gegenüber
dem Rückwasser 3a – wird erzielt. Der Waschmittelumlauf 9 des
Wäschers ist nicht in Betrieb. Die durch den Kondensator 2 geströmte
Luft wird aus dem Rauchgaskanal (Kanal 1b) vor der Steile
ausgenommen, an welcher der Umleitungskanal 1a an dem Rauchgaskanal 1 angeschlossen
ist. Diese in dem Kondensator geheizte Luft kann herausgeleitet
oder in den Kessel als Verbrennungsluft geleitet werden.
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In 3 ist
eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher der Rauchgaskondensator 2 und der
Rauchgaswäscher gemäß 2 verbunden sind.
Eine Besonderheit bei dieser Ausführungsform besteht darin,
dass der Wasserumlauf 5a des Verbrennungsluftbefeuchters 5 mit
dem Wasserumlauf 7 des Kondensators verbunden ist. Wenn
der Kondensator während der Hauptheizperiode zur Rauchgaskondensation
verwendet wird, wird das aus dem Befeuchter 5 zulaufende
Wasser in den Kondensator geleitet und das Wasser wird in den Rauchgasen nach
dem Einspritzen des Kondensatorumlaufwassers eingespritzt, gesehen
in Strömungsrichtung der Rauchgase, d. h. höher
in dem Kondensator 2. Nach dem Wärmetauscher 2a geht
aus dem Wasserumlauf des Kondensators eine Rücklinie zum
Befeuchter 5. Wenn Luft durch den Kondensator 2 geleitet
wird, wird aus dem Befeuchter strömendes kühles
Wasser an dem Kondensator 2 vorbei direkt in den Wasserumlauf 7 des
Kondensators 2 vor den Wärmetauscher geleitet,
wobei das Wasser seinerseits das Kühlen des im Wasserumlauf 3 strömenden
Heizungswassers in dem Wärmetauscher 2a intensiviert.
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Im
Kraftwerkkessel wird ein fester Brennstoff verbrannt, z. B. Biobrennstoff
oder Abfallkomponente enthaltende Brennstoffe, welche feuchte Rauchgase mit
viel Latentwärme produzieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - FI 82767 [0011]
- - US 4799941 [0011]
- - FI 20075013 [0011]