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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf einen Behandlungskopf gemäß Oberbegriff Patentanspruch 8.
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Bekannt ist u. a. das Behandeln von Behältern, beispielsweise in Form von Flaschen, mit einem heißen Sterilisationsmedium, und zwar zum Sterilisieren des Behälterinnenraums. Als Sterilisationsmedium wird dabei eine gas- und/oder dampfförmige Trägerkomponente, vorzugsweise Luft oder sterile Luft verwendet, der Trägerkomponente) Wasserstoffperoxid, vorzugsweise hoch konzentriertes Wasserstoffperoxid (z. B. 20%-iges bis 35%-iges Wasserstoffperoxid) in fein verteilter oder verdüster Form dosiert beigemischt wird. Das so erhaltene Gemisch bzw. Sterilisationsmedium wird dann im erhitzten und verdampften Zustand in den jeweiligen Behälter eingeleitet. Zum Erhitzen wird das Behandlungs- und/oder Sterilisationsmedium entlang wenigstens einer Wärmetauscherfläche eines als Erhitzer wirkenden Wärmetauschers geleitet. An der Behälterinnenfläche bildet das verdampfte Wasserstoffperoxid einen Wasserstoffperoxid-Kondensatfilm, der dann durch das erhitzte gas- und/oder dampfförmige Trägermedium zur Freisetzungen von keimtötenden Sauerstoffradikalen aktiviert wird. Um eine möglichst hohe Qualität der Sterilisation bzw. eine möglichst hohe Entkeimungsrat zu erzielen, ist es notwenig, das Sterilisationsmedium mit möglichst hoher Temperatur in den jeweiligen Behälter einzubringen. Speziell bei Behältern aus empfindlichen Materialien, beispielsweise bei Behältern aus Kunststoff, z. B. aus PET, muss aber darauf geachtet werden, dass die thermische Belastung des jeweiligen Behälters während der Behandlung bzw. Sterilisation unterhalb eines Grenzwertes bleibt, dessen Überschreitung eine Beschädigung oder ein Zerstören des Behälters zufolge hätte.
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Dazu kann es wünschenswert sein, die thermische Belastung der Behälter durch Verwendung von Aktivierungsmedien unterschiedlicher Temperatur zu senken.
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Dazu wurden bereits verschiedene Vorschläge unterbreitet. So wurde ein Vorschlag durch die
DE 100 19 047 A1 vorgelegt. Diese Schrift zeigt einen Wärmetauscher, welcher dazu vorgesehen ist, eine Mischung aus drei Stoffen herzustellen, wobei beabsichtigt ist, ein, je nach Bedarf unterschiedlich einsteilbare Mischungsverhältnisse von Sterilisationsmittel und Detergens auf die zu sterilisierenden Flächen aufzubringen, also das Mischungsverhältnis der drei Stoffe je nach Bedarf zu verändern. Dabei ist es wesentlich, dass es sich bei dem ersten Stoff um Sterilluft handelt, welche als Trägermedium dient und welcher die beiden anderen Stoffe innerhalb des Wärmetauschers zugesetzt werden. Hinsichtlich der Einstellung oder Erzielung einer bestimmten Mischungs- oder Austrittstemperatur unterbreitet diese Schrift allerdings keinen Lösungshinweis. Insbesondere bleibt die Frage, wie die Solltemperatur bei einem bestimmten vorgegebenen Soll-Mischungsverhältnis der Komponenten erreicht werden soll, wenn die Eingangstemperaturen der einzelnen Komponenten schwanken und die Einzelmengen aufgrund des vorgegebenen Soll-Mischungsverhältnisses nicht verändert werden dürfen, bleibt unbeantwortet.
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Ebenfalls bekannt wurde eine Vorrichtung entsprechend der
WO 2010/022819 A1 . Diese Schrift befasst sich mit der Sterilisation von Behältern mittels H
2O
2. Mehr im Detail gibt diese Schrift an, dass es vorteilhaft sei, mit verschiedenen Aktivierungsmedien zu arbeiten, wobei jedes dieser Aktivierungsmedien eine andere Temperatur aufweist, und wobei diese Aktivierungsmedien je nach den Erfordernissen des aktuellen Prozessschrittes einzeln, gemeinsam oder auch nacheinander in den zu sterilisierenden Behälter eingebracht werden sollen.
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Hinsichtlich der Erzeugung oder Bereitstellung der unterschiedlich temperierten Aktivierungsmedien führt diese Schrift aber lediglich aus, dass dazu eine Zuführeinrichtung vorgesehen ist, welche mindestens zweisträngig ausgebildet ist, und wobei jede Zuführeinrichtung ein Aktivierungsmedium mit einer Temperatur zuführt. Eine solche Vorrichtung ist mechanisch aufwändig und teuer.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Behandeln von Behältern, insbesondere von Behältern aus Kunststoff aufzuzeigen, bei dem (Verfahren) bei einem optimalen Verfahrensergebnis, beispielsweise bei einer optimalen Sterilisation, eine thermische Überlastung des jeweiligen Behälters bei der Behandlung vermieden wird. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Ein Behandlungskopf ist Gegenstand des Patentanspruchs 8.
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Der Erfindung liegt u. a. die Erkenntnis zugrunde, dass es für das angestrebte Behandlungsergebnis zumindest zweckmäßig ist, während der Behandlung in einer ersten Teilphase das Behandlungsmedium mit einer ersten erhöhten Temperatur in den Behälter einzubringen, sodass die Behältertemperatur während dieser Teilphase relativ rasch auf eine erhöhte Zwischentemperatur ansteigt und dass dann anschließend in einer zweiten Teilphase das Behandlungsmediums mit einer gegenüber der ersten Temperatur reduzierten Temperatur in den Behälter eingebracht wird, sodass während dieser zweiten Teilphase ein gegenüber der ersten Teilphase verlangsamter Anstieg der Behältertemperatur auf die maximale Behandlungstemperatur erfolgt. Trotz der sehr kurzen Zeit, die für die jeweilige Behandlung zur Verfügung steht, sowie trotz einer im Vergleich zur jeweiligen Behandlungszeit relativ trägen Temperaturregelung des Wärmetauschers des Behandlungskopfes wird dieser für das Behandlungsergebnis optimale Verlauf der Behältertemperatur durch das erfindungsgemäße Verfahren zuverlässig ermöglicht.
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„Behälter” sind im Sinne der Erfindung Verpackungen oder Behältnisse, die im Lebensmittelbereich und dabei speziell auch im Getränkebereich üblicherweise verwendet werden, wie z. B. Flaschen, Dosen, Weichverpackungen, beispielsweise solche hergestellt aus Karton und/oder Kunststofffolie und/oder Metallfolie.
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Der Ausdruck „im Wesentlichen” bzw. „etwa” bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen von jeweils exakten Werten um +/–10%, bevorzugt um +/–5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
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Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 in vereinfachter schematischer Darstellung einen Behandlungskopf einer Behandlungsstation zum Behandeln oder Sterilisieren von Behältern in Form von Flaschen mit einem heißen Behandlungs- oder Sterilisationsmedium, z. B. mit einem heißen Wasserstoffperoxid enthaltenden Sterilisationsmedium;
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2 in schematischer Teildarstellung einen als Erhitzer dienenden Wärmetauscher des Behandlungskopfes der 1 im Bereich einer Dosiereinrichtung zum gesteuerten und dosierten Einbringen von fein verdüsten Wasserstoffperoxid (wässrige H2O2-Lösung mit hoher H2O2-Konzentration) in einem Luftstrom;
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3 in einem Zeit-Temperatur-Diagram die Temperatur des jeweiligen Behälters während der Behandlung bzw. Sterilisation;
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4 in einem Zeitdiagram die Temperatur des in den Behälter eingeleiteten Behandlungsmediums;
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5 eine vereinfachte Block- oder Funktionsdarstellung eines Behandlungskopfes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Der in der 1 allgemein mit 1 bezeichnete Behandlungskopf dient zum Behandeln insbesondere des Innenraums von Behältern 2, von denen einer in der 1 mit unterbrochenen Linien in Form einer Flasche dargestellt ist, mit einem heißen Behandlungsmedium. Bei der dargestellten Ausführungsform dient der Behandlungskopf 1 zum Sterilisieren der Behältern 2 in der Form, dass in einer Applikationsphase/Aktivierungsphase ein heißes Sterilisationsmedium, welches aus steriler Luft und aus einem Anteil an verdampftem Wasserstoffperoxid (wässrige H2O2-Lösung hoher Konzentration) besteht, beispielsweise über ein Behandlungsrohr 3 in den Innenraum des Behälters 2 eingeleitet wird und dass das sich hierbei an der Innenfläche des Behälters 2 bildende H2O2-Kondensat durch die heiße Luft zur Freisetzung von keimtötenden Sauerstoffradikalen aktiviert wird. Am Ende der Behandlung wird der Behälter 2 beispielsweise durch heiße Luft getrocknet. Bei dieser Behandlung ist einerseits eine möglichst hohe Temperatur für das Behandlungs- oder Sterilisationsmedium angestrebt, da nur bei entsprechend hoher Temperatur die Sterilisation bzw. Entkeimung der Behälter 2 mit der angestrebten Qualität bzw. Entkeimungsrate erreicht wird. Andererseits ist insbesondere bei Behältern 2 aus empfindlichen Materialien, beispielsweise bei solchen aus Kunststoff (z. B. PET) eine thermische Überlastung der Behälter 2 zu vermeiden, die eine Beschädigung oder Zerstörung der Behälter 2 zur Folge hätte.
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Zur Bereitstellung des heißen Sterilisationsmediums (Luft mit verdampften H2O2) sowie vorzugsweise auch zur Bereitstellung der heißen Luft zum Trocknen der Behälter 2 am Ende der jeweiligen Behandlung weist der Behandlungskopf 1 in einem Gehäuse 4 einen elektrisch beheizten und als Erhitzer wirkenden Wärmetauscher 5 auf, dessen Temperatur durch einen einen Temperatursensor 6 aufweisenden Steuer- und/oder Regelkreis konstant oder im Wesentlichen konstant gehalten wird. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Wärmetauscher 5 als zylindrischer beheizter Block ausgeführt, und zwar mit einer an der Außenfläche ausgebildeten, die Achse des Wärmetauschers 5 und des Behandlungskopfes wendel- oder spiralförmig umschließenden Nut, die zusammen mit der Innenfläche des Gehäuses 4 einen die vertikale Achse BA des Behandlungskopfes 1 wendel- oder schraubenförmig umschließenden Strömungskanal 7 bildet, der von dem oberen Bereich des Behandlungskopfes 1 bis an eine mit dem Behandlungsrohr 3 in Verbindung stehende Auslassöffnung 8 des Behandlungskopfes 1 reicht.
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An das der Auslassöffnung 8 entfernt liegende obere Ende des Strömungskanals 7 ist eine erste Dosiereinrichtung 9 angeschlossen, die zum gesteuerten und dosierten Eindringen von Wasserstoffperoxid in einen Luftstrom dient, vorzugsweise in einem Strom aus steriler Luft. Die Dosiereinrichtung 9 weist hierfür eine Dosierkammer 10 auf, die einerseits mit einem Luftanschluss 11 für sterile und unter Druck stehende Luft und andererseits mit dem oberen Ende des Strömungskanals 7 in Verbindung steht. In der Dosier- oder Mischkammer 10 ist eine Sprühdüse 12 angeordnet, die über eine Leitung 13, die u. a. ein Dosierventil 14 enthält, mit einer Quelle für das unter Druck stehende Wasserstoffperoxid in Verbindung steht. Durch gesteuerte Betätigung des Dosierventils 14 wird über die Düse 12 dosiert und fein verteilt H2O2 in den die Dosierkammer 10 durchströmenden Luftstrom eingebracht, so dass ein Luft/Wasserstoffperoxid-Aerosol entsteht. Dieses Luft/Wasserstoffperoxid-Aerosol und die Luft werden in dem Wärmetauscher 5 bzw. in der von der gesamten Länge des Strömungskanals 7 gebildeten ersten Wärmetauscher- oder Erhitzerstrecke auf die Temperatur T1 erhitzt.
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Zwischen dem oberen Ende des Strömungskanals 7 und dem Auslass 8 ist an dem Strömungskanal 7 eine zweite Dosieranrichtung 9a angeschlossen, die in gleicher Weise wie die Dosiereinrichtung 9 ausgeführt ist, wobei allerdings das über die Dosiereinrichtung 9a in den Strömungskanal 7 eingebrachte Sterilisationsmedium (Luft/Wasserstoffperoxid-Aerosol) oder die über die Dosiereinrichtung 9a eingebrachte sterile Luft allein schon wegen der kürzeren zweiten Wärmetauscher- oder Erhitzerstrecke, die der Strömungskanal 7 zwischen der Dosiereinrichtung 9a und dem Auslass 8 bildet, in dem Wärmetauscher 5 auf die gegenüber der Temperatur T1 reduzierte Temperatur T2 erhitzt wird. In der an den Luftanschluss 11 der Dosiereinrichtung 9a führenden Leitung 16 ist bei der dargestellten Ausführungsform ein Steuerventil 15 vorgesehen, mit dem bei der dargestellten Ausführungsform der Luftstrom an die Dosiereinrichtung 9 gesteuert eingegeben und gesperrt werden kann.
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Durch die beschriebene Ausbildung ist der Behandlungskopf 1 zweistufig betreibbar, und zwar in der Weise, dass in einem ersten Betriebszustand bei gesperrtem Steuerventil 15 das in der Dosiereinrichtung 9 aufbereitete Sterilisationsmedium auf der von gesamten Länge des Strömungskanals 7 gebildeten ersten Erhitzerstrecke auf die Temperatur T1 erhitzt wird und mit dieser Temperatur entsprechend dem Pfeil A der 1 am Auslass 8 austritt bzw. über das Behandlungsrohr 3 in den Behälter 2 eingeleitet wird.
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In einem zweiten Betriebszustand erfolgt weiterhin ein Erhitzen des Sterilisationsmediums und der Luft auf der ersten, von der gesamten Länge des Strömungskanals 7 gebildeten Erhitzerstrecke. Weiterhin erfolgt bei geöffneten Steuerventil 15 auch ein Erhitzen des mit der Dosiereinrichtung 9a bereitgestellten Sterilisationsmedium oder der mit der Dosiereinrichtung 9a bereitgestellten Luft auf der zweiten Erhitzerstrecke, beispielsweise auf etwa der halten Länge des Strömungskanals 7, so dass dieser Anteil des Sterilisationsmediums auf die niedrigere Temperatur T2 erhitzt wird und durch Mischen der unterschiedlich erhitzten Anteile des Sterilisationsmediums oder der Luft am Auslass 8 eine Gesamt-Temperatur T3 für das Sterilisationsmedium oder für die Luft erhalten wird, die (Gesamt-Temperatur T3) kleiner ist als die Temperatur T1, aber größer ist als die Temperatur T2.
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Durch diese zweistufige Betriebsweise des Behandlungskopfes 1 ist es möglich, die Temperatur, die das Sterilisationsmedium und die Luft am Auslass 8 aufweist, verzögerungsfrei oder im Wesentlichen verzögerungsfrei und damit auch den Behandlungs- oder Sterilisationsprozesses in der Weise zu steuern, dass durch eine möglichst hohe Temperatur des Sterilisationsmediums eine optimale Entkeimung erreicht wird, gleichzeitig aber eine thermische Belastung der Behälter 2 vermieden ist.
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Die 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Behältertemperatur TB während des Behandlungsprozesses. Bei dem im ersten Betriebszustand befindlichen Behandlungskopf 1 erfolgt in der Teilphase I des Behandlungsprozesses ein relativ schnelles Erhitzen des jeweiligen Behälters 2 von der beispielsweise der Umgebungstemperatur entsprechenden Behälter-Ausgangstemperatur TB(0) auf die Behälter-Temperatur TB(2). In einer zeitlich folgenden und gegenüber der Teilphase I längeren Teilphase II erfolgt dann durch den im zweiten Betriebszustand befindlichen Behandlungskopf 1 ein Erhitzen des Behälters 2 auf die Behälter-Temperatur TB(1), die beispielsweise dem Temperaturgrenzwert entspricht, bei dem gerade noch keine Schädigung oder Zerstörung des jeweiligen Behälters 2 eintritt. Der zeitliche Temperaturanstieg (Temperatur-Gradient) in der Teilphase II ist wesentlich geringer als in der Teilphase I, so dass eine schonende Annäherung an die Behälter-Temperatur TB(1) möglich ist. In einer zeitlich folgenden Teilphase III erfolgt ein Abkühlen des jeweiligen Behälters 2 auf die Ausgangstemperatur TB(0). Die eigentliche Sterilisation der Behälter 2, ggfs. mit dem abschließenden Trocknen erfolgt innerhalb der Teilphasen I und II.
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Dies bedeutet auch, dass sowohl die Temperaturen T1 und T3 wenigstens gleich, vorzugsweise aber größer sind als die Temperatur TB(1), und dass die während der Teilphase I im ersten Betriebszustand bzw. während der Teilphase II im zweiten Betriebszustand des Behandlungskopfes 1 in den Behälter 2 mit der Temperatur T1 bzw. T3 eingebrachte Menge an Behandlungsmedium bzw. die Wärmekapazität dieser Menge ausreicht, um den Behälter 2 in der Teilphase I auf die Temperatur TB(2) und in der Teilphase II auf die Temperatur TB(1) zu erhitzen. Der Volumenstrom des Behandlungsmediums am Auslass 8 oder an den von den Dosiereinrichtungen 9 und 9a gebildeten Einlässen des Strömungskanals 7 wird in den Teilphasen I und II beispielsweise konstant gehalten.
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Während der Teilphase III ist der jeweilige Behälter 2 vom Behandlungskopf abgenommen und/oder Behandlungskopf 1 befindet sich in einem dritten Betriebszustand, in welchem bei geschlossenen Dosierventilen 14 das Steuerventil 15 sowie auch ein Steuerventil geschlossen ist, welches in der an den Luftanschluss 11 der Dosiereinrichtung 9 führenden Leitung vorgesehen ist.
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Die 5 zeigt das Block- oder Funktionsdiagramm einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behandlungskopfes 1a zum Behandeln der Behälter 2 mit einem heißen Behandlungsmedium, z. B. mit heißer steriler Luft und/oder mit einem heißen Wasserstoffperoxid enthaltenden Sterilisationsmedium. Der Behandlungskopf 1a besteht im Wesentlichen aus einem zweistufigen Wärmetauscher 5a mit den vorzugsweise elektrisch beheizten Wärmetauscherstufen 17 und 18 sowie aus einem Umschaltventil 19, dem die Luft bzw. das Sterilisationsmedium von einer nicht dargestellten Quelle zugeführt wird. In einem ersten Betriebszustand des Behandlungskopfes 1a, d. h. in einer ersten Schaltstellung des Ventils 19 durchströmt das Behandlungsmedium beide Wärmetauscherstufen 17 und 18 nacheinander, d. h. eine erste Wärmetauscher- oder Erhitzerstrecke, so dass das Behandlungsmedium dann z. B. die erhöhte Temperatur T1 am Auslass des Behandlungskopfes 1a aufweist. in einer zweiten Schaltstellung des Ventils 19 durchströmt das Behandlungsmedium lediglich die Wärmetauscherstufe 18, d. h. eine zweite kürzere Wärmetauscher- oder Erhitzerstrecke, so dass es am Auslass des Behandlungskopfes 1a die reduzierte Temperatur T3 aufweist.
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Während bei dem Behandlungskopf 1 sowohl im ersten, als auch im zweiten Betriebszustand der Strömungskanal 7 jeweils auf seiner gesamten Länge (erste Erhitzerstrecke) von dem von der Dosiereinrichtung 9 bereit gestellten Anteil des Behandlungsmediums durchströmt wird und im zweiten Betriebszustand durch Zumischung des nur auf einer Teillänge des Strömungskanals 7 (zweite Erhitzerstrecke) erhitzten und der Dosiereinrichtung 9a bereit gestellten Anteils des Behandlungsmediums die reduzierte Temperatur T3 erzielt wird, sind bei dem Behandlungskopf 1a im ersten Betriebszustand beide Wärmetauscherstufen 17 und 18 bzw. die von diesen in Serie gebildete erste Erhitzerstrecke und im zweiten Betriebszustand lediglich die Wärmetauscherstufe 18 bzw. die von dieser gebildete zweite Erhitzerstrecke wirksam.
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Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1a
- Behandlungskopf
- 2
- Behälter
- 3
- Behandlungsrohr
- 4
- Gehäuse des Behandlungskopfes 1
- 5, 5a
- Wärmetauscher
- 6
- Temperatursensor
- 7
- Strömungskanal
- 8
- Auslass des Behandlungskopfes
- 9, 9a
- Dosiereinrichtung
- 10
- Dosierkammer
- 11
- Luftanschluss
- 12
- Düse
- 13
- Leitung
- 14
- Dosierventil
- 15
- Steuerventil
- 16
- Leitung
- 17, 18
- Wärmetauscherstufen
- 19
- Steuerventil
- TB(0)
- Ausgangstemperatur des Behälters
- TB(2)
- Temperatur des Behälters 2 am Ende der Teilphase I
- TB(1)
- Temperatur des Behälters am Ende der Teilphase II
- BA
- Vertikale Achse des Behandlungskopfes 1
