DE102018007129A1 - Rauchgas-Wärmetauscher und Heizvorrichtung mit Rauchgas-Wärmetauscher - Google Patents

Rauchgas-Wärmetauscher und Heizvorrichtung mit Rauchgas-Wärmetauscher Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rauchgas-Wärmetauscher (1) mit einem Brennraum (101) und einem Abgasauslass (102). Der Brennraum (101) befindet sich in einem ersten Rauchgasführungsabschnitt (11), dem ein zweiter Rauchgasführungsabschnitt (12), ein dritter Rauchgasführungsabschnitt (13) und ein vierter Rauchgasführungsabschnitt (14) folgen. Der vierte Rauchgasführungsabschnitt (14) geht in den Abgasauslass (102) über. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Heizvorrichtung (100) zum Erwärmen eines Mediums.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Rauchgas-Wärmetauscher. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Heizvorrichtung zum Erwärmen eines Mediums mit einem solchen Rauchgas-Wärmetauscher.
  • Im Stand der Technik sind Heizvorrichtungen bekannt, die beispielsweise dem Erwärmen von Brauchwasser dienen. Solche Heizvorrichtungen können auch Teile von Heizungen sein, sodass z. B. das zu erwärmende Medium z. B. Luft oder eine Wasser-Glykol-Mischung ist. Die Heizvorrichtungen verwenden insbesondere Brennvorrichtungen, die z. B. Gas-Luft-Gemische verbrennen. Das dabei entstehende und schließlich als Abgas abgeführte Rauchgas trägt die thermische Energie, die beispielsweise über sogenannte Rauchgas-Wärmetauscher auf das Medium übertragen wird.
  • In der US 4,938,204 wird ein Wärmetauscher gezeigt, der direkt in einem Behälter eingebracht ist, der das zu erwärmende Medium aufnimmt. Einen Wärmetauscher, der aus zwei Gehäuseschalen besteht, offenbart beispielsweise die DE 199 61 133 C1 .
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Wärmetauscher und eine Heizvorrichtung mit einem Wärmetauscher vorzuschlagen, die eine möglichst hohe Wärmeübertragung vom Rauchgas auf das zu erwärmende Medium erlauben.
  • Die Erfindung löst die Aufgabe durch einen Rauchgas-Wärmetauscher, mit einem Brennraum, einem Abgasauslass und vier Rauchgasführungsabschnitten, wobei sich der Brennraum in einem ersten Rauchgasführungsabschnitt befindet, wobei der erste Rauchgasführungsabschnitt in einen zu dem ersten Rauchgasführungsabschnitt abgewinkelten zweiten Rauchgasführungsabschnitt übergeht, wobei der zweite Rauchgasführungsabschnitt in einen zu dem zweiten Rauchgasführungsabschnitt abgewinkelten dritten Rauchgasführungsabschnitt übergeht, wobei der dritte Rauchgasführungsabschnitt in einen zu dem dritten Rauchgasführungsabschnitt abgewinkelten vierten Rauchgasführungsabschnitt übergeht, und wobei der vierte Rauchgasführungsabschnitt in den Abgasauslass übergeht.
  • In einer alternativen Ausgestaltung befindet sich der Brennraum im vierten Rauchgasführungsabschnitt, der in den dritten Rauchgasführungsabschnitt übergeht. Der dritte Rauchgasführungsabschnitt geht in den zweiten Rauchgasführungsabschnitt über und der zweite Rauchgasführungsabschnitt geht in den ersten Rauchgasführungsabschnitt über. Der erste Rauchgasführungsabschnitt geht in den Abgasauslass über. In dieser alternativen Ausgestaltung ist also die Anordnung umgekehrt.
  • Zwischen den Rauchgasführungsabschnitten oder an diese angrenzend sind in einer Ausgestaltung weitere Rauchgasführungsabschnitte vorhanden. In einer alternativen Ausgestaltung wird das Rauchgas nur durch die vier genannten Rauchgasführungsabschnitte geführt.
  • Erfindungsgemäß sind somit vier Rauchgasführungsabschnitte vorgesehen, die jeweils - mittelbar oder unmittelbar - ineinander übergehen und dabei zueinander abgewinkelt sind. Die Abwinkelung bezieht sich dabei zumindest auf die Strömungsrichtung des Rauchgases in den jeweiligen Rauchgasführungsabschnitten. Durch die Rauchgasführungsabschnitte soll dabei die wirksame Oberfläche für die Abgabe der thermischen Energie des Rauchgases erhöht werden.
  • Indem der Wärmeübertrag erhöht wird, reduziert sich auch die Oberflächentemperatur der heißen Komponenten der Heizvorrichtung. Dies erlaubt es beispielsweise, auch temperaturempfindliche Werkstoffe (z. B. EPP-Schaum) für eine Isolierung der Heizvorrichtung zu verwenden.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Brennraum und der Abgasauslass auf eine gemeinsame Seite des Rauchgas-Wärmetauschers münden. Dass der Brennraum und damit auch der Eingang des Rauchgas-Wärmetauschers und der Abgasauslass als Ausgang des Rauchgas-Wärmetauschers auf der gleichen Seite liegen, vereinfacht den Anschluss der damit verbundenen Komponenten.
  • Eine Ausgestaltung besteht darin, dass der erste Rauchgasführungsabschnitt rohrförmig ausgeführt ist und in einer weiteren Ausgestaltung über einen konstanten Innendurchmesser verfügt.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Rauchgasführungsabschnitt unter einem Winkel von 90° in den zweiten Rauchgasführungsabschnitt übergeht. Alternativ oder ergänzend ist vorgesehen, dass der zweite Rauchgasführungsabschnitt unter einem Winkel von 90° in den dritten Rauchgasführungsabschnitt übergeht. Weiterhin ist alternativ oder ergänzend vorgesehen, dass der dritte Rauchgasführungsabschnitt unter einem Winkel von 90° in den vierten Rauchgasführungsabschnitt übergeht. Die Übergänge zwischen den Rauchgasführungsabschnitten können dabei jeweils abgerundet sein oder eine beliebige Form aufweisen.
  • Eine Ausgestaltung besteht darin, dass der zweite Rauchgasführungsabschnitt über einen in einer Strömungsrichtung des Rauchgases abnehmenden Innendurchmesser verfügt. Alternativ oder ergänzend ist vorgesehen, dass der vierte Rauchgasführungsabschnitt über einen in einer Strömungsrichtung des Rauchgases zunehmenden Innendurchmesser verfügt. Die Verläufe der Innendurchmesser des zweiten und des vierten Rauchgasführungsabschnitt sind in einer Ausgestaltung insbesondere gegenläufig in Bezug auf die Strömungsrichtung des Rauchgases.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Rauchgasführungsabschnitt und der dritte Rauchgasführungsabschnitt parallel zueinander verlaufen.
  • Eine Ausgestaltung besteht darin, dass der dritte Rauchgasführungsabschnitt aus einer Mehrzahl von Teilabschnitten besteht. In einer Ausgestaltung sind die Teilabschnitte rohrförmig ausgeführt. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Teilabschnitte parallel zueinander verlaufen. In einer Ausgestaltung liegen die Teilabschnitte so relativ zueinander, dass das Rauchgas aus dem dritten Rauchgasführungsabschnitt in die einzelnen Teilabschnitte übergeht. In einer Ausgestaltung bestehen der erste, der zweite und der vierte Rauchgasführungsabschnitt jeweils aus einem rohrförmigen Element, wobei zwischen dem zweiten und vierten Rauchgasführungsabschnitt die Mehrzahl der rohrförmigen Teilabschnitte angeordnet ist.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die rohrförmigen Teilabschnitte jeweils mindestens eine lokale - also lokal begrenzte - Verringerung eines Innendurchmessers aufweisen. Die Verringerungen des Innendurchmessers dienen der Verhinderung oder zumindest Reduzierung einer laminaren Strömung des Rauchgases. In einer Ausgestaltung sind auch in anderen Rauchgasführungsabschnitten lokal begrenzte Verringerungen des Innendurchmessers vorhanden.
  • Eine Ausgestaltung besteht darin, dass jeder - vorzugsweise rohrförmige - Teilabschnitt über jeweils eine zugeordnete Ausgangsanschlussstelle von dem zweiten Rauchgasführungsabschnitt abzweigt. In dieser Ausgestaltung zweigt die Mehrzahl der Teilabschnitte mit jeweils einer eigenen Anschlussstelle aus dem zweiten Rauchgasführungsabschnitt ab.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass jeder - vorzugsweise rohrförmige - Teilabschnitt über jeweils eine zugeordnete Mündungsanschlussstelle in den vierten Rauchgasführungsabschnitt mündet. In dieser Ausgestaltung werden die einzelnen Teilabschnitte nicht zusammengeführt, um über einen gemeinsamen Anschluss in den vierten Rauchgasführungsabschnitt zu münden, sondern jeder Teilabschnitt mündet separat und mit einer eigenen Anschlussstelle.
  • Eine Ausgestaltung besteht darin, dass der Rauchgas-Wärmetauscher aus zwei Gehäuseschalen besteht. In einer Ausgestaltung sind die zwei Gehäuseschalen symmetrisch zueinander ausgestaltet.
  • Gemäß einer weiteren Lehre löst die Erfindung die Aufgabe mit einer Heizvorrichtung zum Erwärmen eines Mediums, mit einem Mediumsbehälter, einer Brennvorrichtung und einem Rauchgas-Wärmetauscher, wobei der Rauchgas-Wärmetauscher in dem Mediumsbehälter angeordnet ist, und wobei der Rauchgas-Wärmetauscher nach einer der vorgenannten Ausführungen ausgestaltet ist. Die obigen und folgenden Erläuterungen beziehen sich daher auch auf die Heizvorrichtung mit dem Rauchgas-Wärmetauscher, sodass hier auf eine Weiderholung verzichtet wird.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist die Heizvorrichtung zur Verwendung in Wohnwagen oder Wohnmobilen ausgelegt. Dies bezieht sich z. B. auf Gewicht und äußere Abmessungen, die es erlauben, die Heizvorrichtung in Campingfahrzeugen (also z. B. in Wohnwagen oder Wohn-/Reisemobilen) einzubauen und zu betreiben. Diese Möglichkeit der Anwendung bezieht sich beispielweise auch auf Sicherheitsaspekte usw.
  • Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Rauchgas-Wärmetauscher und die erfindungsgemäße Heizvorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 und dem Patentanspruch 12 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:
    • 1 eine räumliche Darstellung einer Ausgestaltung eines Rauchgas-Wärmetauscher in einem angeschnittenen Mediumsbehälter,
    • 2 eine seitliche Darstellung eines rein schematischen Rauchgas-Wärmetauschers und
    • 3 eine schematische Darstellung einer Heizvorrichtung.
  • Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Rauchgas-Wärmetauscher 1, der sich in einem Mediumsbehälter 20 befindet. Der Mediumsbehälter 20 ist hier angeschnitten dargestellt. Bei dem - hier nicht dargestellten - zu erhitzenden Medium handelt es sich beispielsweise um Wasser oder um ein Wasser-Glykol-Gemisch.
  • Der Rauchgas-Wärmetauscher 1, der z. B. aus einem Tiefziehteil besteht, wird in der Anwendung von einem Rauchgas durchströmt. Das Rauchgas gibt dabei thermische Energie auf den Rauchgas-Wärmetauscher 1 und hierüber auf das umgebende Medium ab. Das Rauchgas ergibt sich aus der Verbrennung von einem Luft-Brennstoff-Gemisch, wobei der Brennstoff beispielsweise ein brennbares Gas (z. B. Propan oder Butan) oder ein in den gasförmigen Zustand überführter flüssiger Brennstoff (z. B. Diesel) ist.
  • Das Rauchgas wird in dem Brennraum 101 erzeugt. Vor dem Brennraum 101 befindet sich auch der Eingang des Rauchgas-Wärmetauschers 1, über den beispielsweise auch - die hier nicht dargestellte - Brennvorrichtung (oder kurz: Brenner) eingebracht werden kann. Von dem Brennraum 101 wird das Rauchgas über vier Rauchgasführungsabschnitte 11, 12, 13, 14 zu dem Abgasauslass 102 geführt.
  • Der Brennraum 101 befindet sich in der dargestellten Ausgestaltung innerhalb des ersten Rauchgasführungsabschnitts 11, der als Röhre mit einem im Wesentlichen konstanten Innendurchmesser ausgestaltet ist. An einer Stirnseite des Rauchgas-Wärmetauschers 1, die der Stirnseite, von dem der Brennraum 101 ausgeht und auf den der Abgasauslass 102 mündet, gegenüberliegt, geht der erste Rauchgasführungsabschnitt 11 in einen zweiten Rauchgasführungsabschnitt 12 über. Der erste Rauchgasführungsabschnitt 11 und zweite Rauchgasführungsabschnitt 12 schließen dabei einen rechten Winkel ein.
  • Die Bezeichnung „abgewinkelt“ bezieht sich dabei je nach Ausgestaltung zumindest auf eine Hauptströmungsrichtung eines Rauchgases in dem jeweiligen Rauchgasführungsabschnitt. Der Übergang an sich kann dabei auch entsprechend abgerundet stattfinden.
  • Der Innendurchmesser des zweiten Rauchgasführungsabschnitts 12 verjüngt sich in der Strömungsrichtung, in der das Rauchgas von dem Brennraum 101 zum Abgasauslass 102 strömt.
  • Entlang des zweiten Rauchgasführungsabschnitts 12 zweigen - in der dargestellten Ausführung jeweils unter einem rechten Winkel - jeweils an einer eigenen Ausgangsanschlussstelle 131 die röhrenförmigen Teilabschnitte 130 des dritten Rauchgasführungsabschnitts 13 von dem zweiten Rauchgasführungsabschnitt 12 ab. Das Rauchgas wird somit über die Teilabschnitte 130 in Teilströme aufgeteilt. Die Teilabschnitte 130 verfügen dabei über Innendurchmesser, die deutlich kleiner sind als die Innendurchmesser der anderen Rauchgasführungsabschnitte 11, 12, 14. Die Teilabschnitte 130 verlaufen dabei in der dargestellten Ausgestaltung zum einen parallel zueinander und zum anderen parallel zum ersten Rauchgasführungsabschnitt 11.
  • In der dargestellten Variante verfügen die Teilabschnitte 130 jeweils über drei Verringerungen 133 des Innendurchmessers. Dies reduziert das Risiko einer laminaren Strömung des Rauchgases, was den Wärmeübergang verringern würde.
  • In Strömungsrichtung münden die Teilabschnitte 130 über jeweils eine Mündungsanschlussstelle 132 in den vierten Rauchgasführungsabschnitt 14, der parallel zum zweiten Rauchgasführungsabschnitt 12 verläuft. Das Rauchgas wird also nicht vor dem vierten Rauchgasführungsabschnitt 14 zusammengeführt, sondern die Teilströme des Rauchgases gelangen einzeln in den vierten Rauchgasführungsabschnitt 14. Dabei strömt das Rauchgas in den beiden Rauchgasführungsabschnitten 14 und 12 parallel zueinander, jedoch in unterschiedlichen Richtungen. Der vierte Rauchgasführungsabschnitt 14 weitet sich hier in der Strömungsrichtung des Rauchgases auf, d. h. der Innendurchmesser wird größer.
  • Weiterhin mündet der vierte Rauchgasführungsabschnitt 14 schließlich in den Abgasauslass 102, der hier ebenfalls rohrförmig ausgeführt ist und der in ein - hier nicht dargestelltes - Abgasführungssystem übergeht. Der Abgasauslass 102 ist hier an dem Bereich des vierten Rauchgasführungsabschnitts 14 angeordnet, der den größten Innendurchmesser des vierten Rauchgasführungsabschnitts 14 aufweist.
  • In der dargestellten Ausführung verfügt der Rauchgas-Wärmetauscher 1 über vier Rauchgasführungsabschnitte 11, 12, 13, 14, die überdies in der gezeigten Variante ein Rechteck umschließen. Der Brennraum 101 gehört dabei zu dem ersten Rauchgasführungsabschnitt 11 und der Abgasauslass 102 zweigt in der dargestellten Ausgestaltung von dem vierten Rauchgasführungsabschnitt 14 ab.
  • Die Rauchgasführungsabschnitte 11, 12, 13, 14 haben je nach Ausgestaltung identische oder unterschiedliche Querschnittsformen. So sind z. B. runde, ovale oder rechteckige Querschnitte möglich.
  • Der Rauchgas-Wärmetauscher 1 ist vollständig von dem Medium in dem Mediumsbehälter 20 umgeben. Daher ergeben sich als wirksame Außentemperaturen auch nur die maximale Temperatur des Mediums sowie die verbleibende Resttemperatur des Rauchgases, das als Abgas abgeführt wird. Daher ist in Bezug auf die verwendeten Werkstoffe auch nur die maximale Temperatur des Mediums (z. B. Wasser) sowie des Abgases in dem - hier nicht dargestellten - Abgassystem entscheidend.
  • Die 2 verdeutlicht schematisch den Aufbau einer Realisierung des Rauchgas-Wärmetauschers 1.
  • Der dargestellte Rauchgas-Wärmetauscher 1 besteht aus zwei Gehäuseschalen 10, die jeweils eine Hälfte der Rauchgasführungsabschnitte aufweisen und sich entsprechend ergänzen. Dies vereinfacht die Herstellung und reduziert somit die Kosten. So ist es beispielsweise möglich, die Gehäuseschalen 10 ohne größeren Aufwand miteinander zu verschweißen. Da die medienberührenden Schweißnähte zuverlässig formiert werden können, sind diese insbesondere unempfindlich gegenüber Korrosion.
  • In der 3 schließlich ist eine Ausgestaltung der Heizvorrichtung 100 schematisch dargestellt, die zum Erhitzen von Brauchwasser dienen soll.
  • Das Wasser befindet sich dabei in dem Mediumsbehälter 20, in dem auch der Rauchgas-Wärmetauscher 1 angeordnet ist. Die Brennvorrichtung 30 erzeugt, indem sie beispielsweise ein Luft-Gas-Gemisch verbrennt, das Rauchgas, das durch den Rauchgas-Wärmetauscher 1 geführt wird, um das Wasser zu erhitzen. Ein Abgasführungssystem für die Abführung des Rauchgases bzw. des Abgases ist hier nicht dargestellt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Rauchgas-Wärmetauscher
    10
    Gehäuseschale
    11
    erster Rauchgasführungsabschnitt
    12
    zweiter Rauchgasführungsabschnitt
    13
    dritter Rauchgasführungsabschnitt
    14
    vierter Rauchgasführungsabschnitt
    20
    Mediumsbehälter
    30
    Brennvorrichtung
    100
    Heizvorrichtung
    101
    Brennraum
    102
    Abgasauslass
    130
    Teilabschnitt
    131
    Ausgangsanschlussstelle
    132
    Mündungsanschlussstelle
    133
    Verringerung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 4938204 [0003]
    • DE 19961133 C1 [0003]

Claims (12)

  1. Rauchgas-Wärmetauscher (1), mit einem Brennraum (101), einem Abgasauslass (102) und vier Rauchgasführungsabschnitten (11, 12, 13, 14), wobei sich der Brennraum (101) in einem ersten Rauchgasführungsabschnitt (11) befindet, wobei der erste Rauchgasführungsabschnitt (11) in einen zu dem ersten Rauchgasführungsabschnitt (11) abgewinkelten zweiten Rauchgasführungsabschnitt (12) übergeht, wobei der zweite Rauchgasführungsabschnitt (12) in einen zu dem zweiten Rauchgasführungsabschnitt (12) abgewinkelten dritten Rauchgasführungsabschnitt (13) übergeht, wobei der dritte Rauchgasführungsabschnitt (13) in einen zu dem dritten Rauchgasführungsabschnitt (13) abgewinkelten vierten Rauchgasführungsabschnitt (14) übergeht, und wobei der vierte Rauchgasführungsabschnitt (14) in den Abgasauslass (102) übergeht.
  2. Rauchgas-Wärmetauscher (1) nach Anspruch 1, wobei der Brennraum (101) und der Abgasauslass (102) auf eine gemeinsame Seite des Rauchgas-Wärmetauschers (1) münden.
  3. Rauchgas-Wärmetauscher (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Rauchgasführungsabschnitt (11) rohrförmig ausgeführt ist und über einen konstanten Innendurchmesser verfügt.
  4. Rauchgas-Wärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Rauchgasführungsabschnitt (11) unter einem Winkel von 90° in den zweiten Rauchgasführungsabschnitt (12) übergeht, und/oder wobei der zweite Rauchgasführungsabschnitt (12) unter einem Winkel von 90° in den dritten Rauchgasführungsabschnitt (13) übergeht, und/oder wobei der dritte Rauchgasführungsabschnitt (13) unter einem Winkel von 90° in den vierten Rauchgasführungsabschnitt (14) übergeht.
  5. Rauchgas-Wärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite Rauchgasführungsabschnitt (12) über einen in einer Strömungsrichtung des Rauchgases abnehmenden Innendurchmesser verfügt, und/oder wobei der vierte Rauchgasführungsabschnitt (14) über einen in einer Strömungsrichtung des Rauchgases zunehmenden Innendurchmesser verfügt.
  6. Rauchgas-Wärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Rauchgasführungsabschnitt (11) und der dritte Rauchgasführungsabschnitt (13) parallel zueinander verlaufen.
  7. Rauchgas-Wärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der dritte Rauchgasführungsabschnitt (13) aus einer Mehrzahl von - vorzugsweise parallel zueinander verlaufenden und vor allem vorzugsweise rohrförmigen - Teilabschnitten (130) besteht.
  8. Rauchgas-Wärmetauscher (1) nach Anspruch 7, wobei die Teilabschnitte (130) jeweils mindestens eine lokale Verringerung (131) eines Innendurchmessers aufweisen.
  9. Rauchgas-Wärmetauscher (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei jeder Teilabschnitt (130) über jeweils eine zugeordnete Ausgangsanschlussstelle (131) von dem zweiten Rauchgasführungsabschnitt (13) abzweigt.
  10. Rauchgas-Wärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei jeder Teilabschnitt (130) über jeweils eine zugeordnete Mündungsanschlussstelle (132) in den vierten Rauchgasführungsabschnitt (14) mündet.
  11. Rauchgas-Wärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Rauchgas-Wärmetauscher (1) aus zwei Gehäuseschalen (10) besteht.
  12. Heizvorrichtung (100) zum Erwärmen eines Mediums, mit einem Mediumsbehälter (20), einer Brennvorrichtung (30) und einem Rauchgas-Wärmetauscher (1), wobei der Rauchgas-Wärmetauscher (1) in dem Mediumsbehälter (20) angeordnet ist, und wobei der Rauchgas-Wärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgestaltet ist.
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