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Die Erfindung betrifft eine Kesselanlage, insbesondere einen Großwasserraumkessel oder Speichererhitzer zur Erhitzung eines Mediums, insbesondere zur Erhitzung von Wasser, sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines erhitzten Mediums.
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Zur Erhitzung von Medien in Kesselanlagen werden üblicherweise feste, flüssige oder gasförmige Brennstoffe verbrannt. Einsatzgebiete sind beispielweise die Bereitstellung von Warmwasser bzw. Dampf.
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Die Fähigkeit einer Kesselanlage, die Menge der abgegebenen Wärme, des Dampfes bzw. der Energie flexibel an schwankende Nachfragen anzupassen, wird dabei durch das Verbrennungssystem sowie das Medienvolumen im Kessel vorgegeben. Es kommen beispielweise Ölbrenner, Gasbrenner oder Rostsysteme für Festbrennstoffe zum Einsatz, wobei Öl- und Gasbrenner typischerweise flexibler sind als Festbrennstoffsysteme. Das bedeutet, dass eine Steigerung der Leistung mit diesen Systemen bzw. ein Hoch- und Herunterfahren dieser Systeme schneller erfolgen kann als bei Festbrennstoffsystemen.
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Durch die Zunahme intermittierender Stromeinspeisung aus Solar- und Windkraftanlagen wird im Kraftwerksbereich sowie in der Industrietechnik eine noch flexiblere Anpassung an den Energiebedarf notwendig. Auch bei Heißwasser-, Thermalöl- und Dampfsystemen ist eine rasche und flexible Anpassung an den Bedarf wünschenswert.
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Die
US 3 691 344 offenbart ein Verfahren zur Umrüstung bestehender Flamm-/ Rauchrohrkesselanlagen, insbesondere Großwasserraumkessel, um darin statt der konventionellen Verbrennung fossiler Brennstoffe das Wasser bzw. den Dampf mittels elektrischer Heizungsvorrichtungen zu erhitzen. Dabei werden der Brenner sowie die vorhandenen Flamm-/ bzw. Rauchrohre von den Kesselböden entfernt und durch elektrisch beheizbare Tauchheizkörper ersetzt. Des Weiteren wird ein modifizierter Kessel offenbart, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Ein emissionsarmer, energieeffizienter Kessel wird durch Umrüstung eines alten, ineffizienten Kessels zur Verfügung gestellt.
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Die im Stand der Technik vorhandenen Lösungen sind nur bedingt in der Lage, flexibel auf eine schwankende Nachfrage nach Wärme zu reagieren. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Kesselanlage sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines erhitzten Mediums zur Verfügung zu stellen, mit denen auf einfache, kostengünstige und effiziente Weise eine flexible Anpassung an die Nachfrage nach Wärme möglich ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kesselanlage zur Erhitzung eines Mediums nach Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zur Erzeugung eines erhitzten Mediums nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Kesselanlage und des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2–6 und 8–10 dargestellt.
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Ein erster Aspekt der Erfindung ist eine Kesselanlage, insbesondere ein Großwasserraumkessel oder ein Speichererhitzer, zur Erhitzung eines Mediums, insbesondere zur Erhitzung von Wasser, welche einen Raum zur Aufnahme des Mediums umfasst. Weiterhin umfasst die Kesselanlage wenigstens ein Flammrohr zur Anordnung einer Brenneinrichtung und/oder wenigstens ein Rauchrohr zum Durchleiten eines Rauchgases. Dabei sind das Flammrohr und/oder das Rauchrohr zur Übertragung von Wärme auf das Medium, wenn es in dem Raum angeordnet ist, ausgestaltet und angeordnet. Daneben umfasst die Kesselanlage eine elektrische Heizeinrichtung, mit der unter Umsetzung elektrischer Energie eine Erwärmung eines in dem Raum befindlichen Mediums ausführbar ist.
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Bei Großwasserraumkesseln begrenzt ein Rauchgasrohr und/oder ein Flammrohr das zu erwärmende Medium gegenüber der Feuerung bzw. gegenüber den durchziehenden Rauchgasen. Diese umfassen die Heizflächen, an denen der Wärmeübergang stattfindet. Das Medium befindet sich dabei außerhalb der Rohre und im Mantelrohr, welches den Raum zur Aufnahme des Mediums definiert und das Medium nach außen abgrenzt. Im Mantelrohr befinden sich somit das zu erhitzende Medium, vorzugsweise Wasser, sowie die Heizflächen.
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Durch das Mantelrohr hindurch laufen Rauch- und/oder Flammrohre, die dem Medium aus dem heißen Rauchgas bzw. Flammen Wärme zuführen. Das Medium wird durch einen Verbrennungsprozess erhitzt und kann zusätzlich dazu mit der elektrischen Heizeinrichtung erhitzt werden. Das Flammrohr kann dabei ein beliebig geformter Flammraum sein.
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Im Falle eines Speichererhitzers, beispielsweise gas- oder ölbeheizbar, kann eine elektrische Heizeinrichtung, wie beispielsweise ein Heizwiderstand, angeordnet sein. Der Raum zur Aufnahme des Mediums kann hierbei ein Wasserspeicher sein, in dessen Innerem der Heizwiderstand angeordnet ist. Dieser kann selbstverständlich eine Isolierung und andere funktionale Elemente umfassen.
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Mit anderen Worten wird eine Kesselanlage mit dualer thermochemischer und elektrischer Beheizung zur Bereitstellung erhitzter Medien zur Verfügung gestellt. Kesselanlagen umfassen in diesem Sinne alle Systeme, bei denen die Flamme sich in einem Flammrohr befindet bzw. das Rauchgas in Rohren strömt und das zu erhitzende Medium um die Rohre herum strömt. Die Erfindung ist in allen Leistungsbereichen der Großindustrie bis hin zu Kleinstanwendungen, beispielsweise in Hausanwendungen, einsetzbar.
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Die Kesselanlage umfasst auch eine Brenneinrichtung, die am oder im Brennraum angeordnet sein kann. Mit dieser können feste, flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe verbrannt werden. Beispielsweise kann die Brenneinrichtung als Gasbrenner oder als Rost zur Verbrennung von Abfällen ausgestaltet sein.
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Das zu erhitzende Medium ist vorzugsweise Wasser oder ein Wasser-Dampf-Gemisch. Alternativ kann das zu erhitzende Medium auch Öl sein, beispielsweise in einem Thermalölkessel.
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Im laufenden Betrieb ist eine Kombination aus konventioneller Verbrennung und elektrischer Heizung möglich.
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Industriebetriebe und Gebäudebesitzer können durch kurzfristige Bereitstellung negativer Regelenergie aktiv am Regelenergiemarkt teilnehmen. Diese Option ermöglicht es, überschüssige Strommengen, insbesondere im Zusammenhang mit intermittierender Photovoltaik- und Windstromerzeugung, in Prozess- bzw. Heizwärme zu wandeln. Damit können Betreiber, auch im Heimbereich, neue Geschäftsfelder erschließen.
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Bei schwankender Nachfrage, im Falle einer Kraftwerksanordnung beispielsweise bei intermittierender Einspeisung aus Solar- bzw. Windkraftanlagen, ist die Leistung der Kesselanlage flexibel und schnell anpassbar. Eine Steigerung der Leistung bzw. ein Hoch- und Herunterfahren dieser Systeme kann schneller erfolgen als bei konventionellen Systemen. Die Verbrennung mit der Brenneinrichtung wird hierbei beispielsweise für die Grundlast und leichte Änderungen der geforderten Nachfrage benutzt, während die elektrische Heizeinrichtung rasch Leistung erbringen kann und damit Lastspitzen abfangen kann. Weiterhin können Brennstoffkosten und Kohlendioxid-Emissionen reduziert werden, wenn konventionelle Verbrennung und elektrische Heizung parallel erfolgen. Insbesondere bei sehr niedrigen bis hin zu negativen Strompreisen kann die Kesselanlage damit sehr kostengünstig betrieben werden, und es kann wie beschrieben ausgleichend auf ein Überangebot von elektrischer Energie Einfluss genommen werden.
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In einer Ausgestaltung der Kesselanlage zur Erhitzung eines Mediums ist die elektrische Heizeinrichtung in dem Raum zur Aufnahme des Mediums angeordnet und dazu ausgestaltet, zumindest teilweise vom Medium umströmt zu werden.
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Die elektrische Heizeinrichtung kann beispielsweise als Heizstab oder als Bündel von Heizstäben ausgestaltet sein. Sie kann eine längliche Form aufweisen, die im Wesentlichen parallel zum Flamm- bzw. Rauchrohr verläuft. Selbstverständlich können mehrere Heizstäbe angeordnet sein. Die Heizstäbe können dabei insbesondere derart innerhalb des Mantelrohrs angeordnet sein, dass sie bei bestimmungsgemäßem Gebrauch vom Medium umgeben sind und umströmt werden können.
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In einer alternativen Ausführungsform können die Heizstäbe im Wandbereich angeordnet sein und zumindest einseitig in Berührung mit dem Wasser sein. Zwischen Heizstäben und Wasser können in jedem Fall weitere Elemente oder Einrichtungen, wie Schutzmäntel oder ähnliches, angeordnet sein. Derartige Einrichtungen sind allerdings der jeweiligen elektrischen Heizeinrichtung zuzuordnen, so dass diese vorzugsweise unmittelbar von dem Medium kontaktierbar sind.
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Die Kesselanlage umfasst zur Erhitzung eines Mediums vorzugsweise wenigstens eine, beispielsweise in oder an einem Boden angeordnete, Öffnung, und die elektrische Heizeinrichtung ist derart in der Öffnung positioniert und fixiert, dass die Öffnung wasserdicht und/oder dampfdicht verschlossen ist.
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Die elektrische Heizeinrichtung kann dabei einen Anschlussbereich umfassen, beispielsweise ein Anschlussgehäuse, welches aus der Öffnung heraus ragt. Dieses befindet sich also außerhalb des Raums zur Aufnahme des Mediums. Ein beheizbarer Bereich der elektrischen Heizeinrichtung, beispielsweise ein Heizstab, befindet sich innerhalb des Raums. Die wasser- bzw. dampfdichte Verbindung kann dabei für den Überdruckbetrieb ausgestaltet sein, so dass die Kesselanlage mit einem Überdruck betreibbar ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Kesselanlage ist wenigstens ein Flammrohr und/oder wenigstens ein Rauchrohr und/oder eine dem Raum zur Aufnahme des Mediums zugewandte Oberfläche der elektrischen Heizeinrichtung zumindest abschnittsweise beulstrukturiert.
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Bei einer Beulstrukturierung, auch als Makrostrukturierung bezeichnet, ist die Rohrwandung mit makroskopischen Vertiefungen versehen, die die Turbulenz von innerhalb und/oder außerhalb des Rohres strömenden Medien erhöhen und somit eine Steigerung des Wärmeübergangs bedingen. Die sich ergebenden Beulen sind typischerweise als konvexe Formelemente an der Innenseite des entsprechenden Rohres ausgebildet. An der Außenfläche ergeben sich dementsprechend konkave Formelemente. Diese Formelemente können beispielsweise die Form eines Kugelsegments, eines Tropfens oder eines halben Tropfens aufweisen. Insbesondere sind asymmetrische Formen möglich, die an die Strömungsrichtung und/oder -geschwindigkeit des Mediums angepasst sind. Alternativ zur Beulstrukturierung ist auch eine rippenförmige Struktur des Rohres möglich.
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Weiterhin kann auch eine Mikrostrukturierung angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung sind an der Rohraußenfläche beispielsweise nadelförmige Strukturen angeordnet, die zu einer wesentlich feineren Bläschenbildung bei Siedeprozessen führen. Diese Strukturen weisen Höhen von maximal 0,5 mm und maximale Quererstreckungen von 0,01 mm auf.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass durch oberflächenstrukturierte Rohre eine Volumenverringerung möglich ist, so dass eine geringere Leistung der elektrischen Heizeinrichtung erforderlich ist; auch für ein schnelles Hochfahren der Kesselanlage. Die Wärmeübertragung ist schneller und effizienter.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Kesselanlage ist die elektrische Heizeinrichtung dafür eingerichtet, zur Erwärmung des Mediums mit elektrischer Energie aus einem Versorgungsnetz betrieben zu werden.
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Insbesondere ist damit elektrische Energie aus einem öffentlichen Energieversorgungsnetzt gemeint. Die dabei anliegende Spannung ist dabei die vorhandene Netzspannung des öffentlichen Energieversorgungsnetzes, in Europa beispielsweise 400 Volt bei 3-Phasen-Wechselstrom. Der Strom für den Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung der Kesselanlage ist somit aus externen Kraftwerken zuführbar.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind das Flammrohr und/oder das Rauchrohr derart ausgestaltet, dass mit ihnen durch eine widerstandsbedingte Erwärmung der Rohrwandung eine Erwärmung des Mediums ausführbar ist.
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Die Erwärmung des Mediums unter Umsetzung elektrischer Energie erfolgt in diesem Fall durch das Flammrohr bzw. Rauchrohr selbst. Das heißt, dass durch Anlegen eines elektrischen Stroms die Rohrwandung selbst erwärmt wird, so dass Wärme auf das Medium übertragen werden kann. Eine widerstandsbedingt erwärmbare Ausgestaltung eines Rohres kann über dessen gesamte Länge oder in einem oder mehreren Abschnitten des Rohres angeordnet sein. Selbstverständlich kann eine derartige Ausgestaltung in mehreren Rohren, zum Beispiel in allen Rauchrohren, angeordnet sein. Auch eine Kombination mit im Mantelrohr befindlichen Heizelementen ist möglich.
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In dieser Ausführungsform der Kesselanlage sind geeignete Maßnahmen zur Verhinderung von Kurzschlüssen vorzusehen. Beispielsweise können an den Anschlussstellen der Rohrwandungen Isolationselemente angeordnet werden, die die Leitung des elektrischen Stroms durch die Kesselwandung verhindern.
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Ein weiterer erfindungsgemäßer Aspekt ist ein Verfahren zur Erzeugung eines erhitzen Mediums. Dieses umfasst die Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Kesselanlage, die Aufnahme eines Mediums, insbesondere Wasser, in dem Raum zur Aufnahme des Mediums sowie die Erwärmung des Mediums mittels der elektrischen Heizeinrichtung. Das erhitzte Medium beispielsweise Wasser oder Dampf oder ein Wasser-Dampfgemisch. Das Verfahren ist insbesondere geeignet, mit einer erfindungsgemäßen Kesselanlage ausgeführt zu werden. Beispielsweise kann das Verfahren eingesetzt werden, um eine erfindungsgemäße Kesselanlage vor einer Inbetriebnahme eines Verbrennungsprozesses mittels Umsetzung elektrischer Energie aufzuheizen. Auch kann damit negative Regelenergie bereitgestellt werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Erzeugung eines erhitzten Mediums umfasst dieses weiterhin eine Erwärmung des Mediums mit dem Flammrohr und/oder mit dem Rauchrohr. Dabei geht die Erwärmung des Mediums mittels der elektrischen Heizeinrichtung der Erwärmung des Mediums mittels des Flammrohres beziehungsweise Rauchrohres zumindest zeitabschnittsweise zeitlich voraus. Alternativ erfolgt die Erwärmung des Mediums mittels der elektrischen Heizeinrichtung zeitgleich mit der Erwärmung des Mediums mittels des Flammrohres beziehungsweise Rauchrohres.
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Insbesondere bedeutet das, dass Wärme aus elektrischer Energie an der elektrischen Heizeinrichtung sowie Wärme aus einem Verbrennungs- und/oder Abwärmeprozess, insbesondere durch Flammen und/oder Rauchgas übertragen, zur Erwärmung des Mediums eingesetzt werden. Dabei können die Erwärmung des Mediums mittels der elektrischen Heizeinrichtung und die Erwärmung des Mediums mittels des Flammrohres beziehungsweise Rauchrohres zeitglich erfolgen, oder die Erwärmung des Mediums mittels der elektrischen Heizeinrichtung erfolgt vor der Erwärmung des Mediums mittels des Flammrohres beziehungsweise Rauchrohres. Hiermit ist, wie beschrieben, insbesondere das Aufheizen der Kesselanlage aus dem kalten Zustand gemeint, dem eine Betriebsweise mit einem Verbrennungs- und/oder Abwärmeprozess folgen kann. Damit ist ein schnelleres Hochfahren der Kesselanlage und Starten der Brenneinrichtung möglich. Da Großwasserraumkessel durch die typischerweise großen Wasservolumina träge sind, ist die beschriebene Schnellstartmöglichkeit hier besonders vorteilhaft.
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Die zeitgleiche Erwärmung mittels der genannten Prozesse wird insbesondere eingesetzt, wenn die Brenneinrichtung zur Sicherung einer Grundlast eingesetzt wird und Lastspitzen durch die elektrische Heizvorrichtung abgefangen werden. Auch kann, wie beschrieben, die elektrische Erwärmung eingesetzt werden, um einen Teil des Brennstoffs einzusparen. In diesem Fall übernimmt die elektrische Heizeinrichtung einen Teil der Erwärmung des Mediums, der in konventionellen Kesselanlagen ausschließlich durch die Brenneinrichtung gewährleistet wird.
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Prinzipiell kann das erfindungsgemäße Verfahren mit allen Arten von Verbrennungs- und/oder Abwärmeprozessen kombiniert werden. Es kann für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise zur Dampferzeugung, wie in einer Kraftwerks- oder Industrieanordnung, oder in Heißwasser- oder Thermalölkesseln.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der elektrischen Heizeinrichtung die elektrische Energie aus einem Versorgungsnetz zugeleitet. Typischerweise wird Energie aus dem öffentlichen Energieversorgungsnetz genutzt.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines erhitzten Mediums durchgeführt und das erhitzte Medium wird zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Insbesondere wird elektrische Energie genutzt, um die Kesselanlage vorzuheizen, bevor der Verbrennungsprozess eingeleitet wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird das erhitzte Medium einem industriellen Prozess und/oder einer Heizungsanlage wenigstens eines Gebäudes zugeleitet.
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In dem industriellen Prozess, der beispielsweise ein Energieerzeugungsprozess oder ein anderer Wärme nutzender Prozess ist, wird ebenso wie in der Heizungsanlage die thermische Energie des erhitzten Mediums genutzt. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Fernwärme genutzt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den beiliegenden Zeichnungen eines Großwasserraumkessels dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
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Es zeigen
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1: eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäß ausgestalteten Großwasserraumkessels mit elektrischen Heizeinrichtungen,
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2: eine Schnittansicht A-A des in 1 dargestellten erfindungsgemäß ausgestalteten Großwasserraumkessel mit elektrischen Heizeinrichtungen,
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3: eine Schnittansicht B-B des in 1 dargestellten erfindungsgemäß ausgestalteten Großwasserraumkessels mit elektrischen Heizeinrichtungen, sowie
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4: eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht des erfindungsgemäß ausgestalteten Großwasserraumkessels mit elektrischen Heizeinrichtungen.
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1 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäß ausgestalteten Kesselanlage 10, nämlich eines Großwasserraumkessels, mit elektrischen Heizeinrichtungen 40. Der Raum zur Aufnahme des Mediums 36 wird begrenzt vom Mantelrohr 34. Dieses ist ein im Wesentlichen kreiszylinderförmiges Rohr mit großem Durchmesser. In diesem verläuft entlang seiner Längserstreckungsrichtung ein Flammrohr 30, welches zur Anordnung einer Brenneinrichtung ausgestaltet ist. Das Flammrohr 30 weist eine rippenförmige Struktur auf, welche die Wärmeübertragung auf das Medium, welches im vorliegenden Fall Wasser ist, verbessert. In einer Umlenkzone, im rechten Bildbereich dargestellt, erfahren die bei der Verbrennung entstehenden heißen Rauchgase eine Richtungsänderung und strömen entlang des angedeuteten Strömungspfades 70 anschließend durch eine Vielzahl von Rauchrohren 32 in entgegengesetzter Richtung durch den Kessel. Dort findet eine weitere Übertragung von Wärme auf das Wasser statt. In einem auf der linken Seite dargestellten Auslass 60 verlässt das Rauchgas die Kesselanlage 10.
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Auf Höhe des Flammrohres 30 befindet sich, beidseitig von diesem, jeweils eine elektrische Heizeinrichtung 40. Diese sind als Heizstäbe 42, beziehungsweise als Bündel von Heizstäben 42, ausgeführt, welche sich im Raum 36 zur Aufnahme des Mediums befinden und direkt vom Medium umspült werden können. Sie verlaufen im Wesentlichen entlang der Längserstreckungsrichtung des Großwasserraumkessels. Eine Anschlusseinrichtung 44, beispielsweise zur Anordnung elektrischer Anschlüsse, ist außerhalb des Raumes 36 zur Aufnahme des Mediums angeordnet.
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2 zeigt einen Längsschnitt A-A des erfindungsgemäß ausgestalteten Großwasserraumkessels mit elektrischen Heizeinrichtungen 40, ausgeführt als Bündel von Heizstäben 42, von oben. Hier wird deutlich, dass die elektrischen Heizeinrichtungen 40 beidseitig des Flammrohrs 30 angeordnet sind. Sie sind mittels eines Flansches 50 am Boden der Kesselanlage 10 befestigt. Alternativ wäre auch eine geschweißte oder beliebige andere Befestigung möglich, die eine wasser- bzw. dampfdichte Verbindung ermöglicht.
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3 zeigt einen Querschnitt B-B des erfindungsgemäß ausgestalteten Großwasserraumkessels mit elektrischen Heizeinrichtungen 40. Das Flammrohr 30 und eine Vielzahl an Rauchrohren 32 sind sichtbar. Die elektrischen Heizeinrichtungen 40 sind als Bündel von Heizstäben ausgeführt, welche sich direkt im Raum 36 zur Aufnahme des Mediums befinden.
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4 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht des erfindungsgemäß ausgestalteten Großwasserraumkessels mit elektrischen Heizeinrichtungen 40. Es zeigt sich, dass die elektrischen Heizeinrichtungen 40 sehr gut in die Kesselanlage integriert werden können und keinen zusätzlichen Platzbedarf aufweisen. Mit der dargestellten Ausführungsform lässt sich durch die elektrischen Heizeinrichtungen 40 sowohl ein Schnellstart als auch eine Bereitstellung negativer Regelenergie realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kesselanlage
- 30
- Flammrohr
- 32
- Rauchrohr
- 34
- Mantelrohr
- 36
- Raum zur Aufnahme des Mediums
- 40
- elektrische Heizeinrichtung
- 42
- Heizstab
- 44
- Anschlusseinrichtung
- 50
- Flansch
- 60
- Auslass
- 70
- Strömungspfad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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