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"Absorptionsmischung
für AbsorptionslLühlsysteme" Die Erfindung
bezieht sich auf eine Absorptionsmischung für Absorptionskühlsysteme mit Wasser
als Kühlmittel. Absorptionskühlsysteme haben ein Absorptionsmittel, das während
des Arbeitszyklus flüssig bleibt, und ein Kühlmittel, das eine flüssige Phase und
eine Dampfphase aufweist.
| Die üblidhen Absorptionskihlsysteme besitzen. einen |
| Generator, in welchem das Absorptionsmittel, das mit |
| absorbiertem Kühlmittel. verdünnt ist, erhitzt wirdt |
| so daß auf diese jgeise ein Teil des Kühlmittels her- |
| ausgetrieben: wirdi Der Dampf des XUhlmittels strömt |
| dann, zu einem Kondensor, in welchem er sieh dadurch |
| verflüssigt, daß die 'AM mittels einer zusätzlichen |
| Flüssigkeit entfernt wird, die durch eine Wärmesenke |
| auf einer geeigneten Temperatür gehalten wird. Das |
| verflüssige Kühlmittel fließt anschließend durch ein |
| Dxosselventil oder eine entsprechende Regülierunngsvor- |
| -richtung zu einem Verdampfer, der bei reduziertem Druck |
| arbeitet, so daß das flüssige Kühliriittel bei relativ |
| niedriger Temperatur kocht und die Kühlung erzeugt.. In |
| dem Verdampfer absorbiert das kalte Kühlmittel Wärme |
| eines äußeren Flusses,: der durch den Verdampfer zirku- |
| liert und dabei im wesentlichen auf die Temperatur des |
| Verdampfers gekühlt wird; Der gekühlte äußere F1uß strömt |
| dann durch; den eigentlichen Kühler. |
Der Dampf des Kühlmittels strömt von dem Verdarpfer zu einem Absorber, wo er von
einem konzentrierten: Absorptionsmittel absorbiert wird, das von dem Generator komm-.
Die Absorption des Dampfs des Kühlmittels bewirkt, daß der niedrige Druck in dem
Verdampfer aufrechterhalten wird. ._ Da das konzentrierte Absorptionsmittel in:
der Generator----erhitzt wurde und der Absorptionsvorgang ebenfalls Wärme::
| erzeugt, muB der Absorber mittels eines äußeren Kühl-- |
| der äü:# ei rie nk.elf: |
| s-tr f# geeignete Temperatur gekühlt werden* |
| Von dem Absorber strömt das verdünnte Absorptionsmittel |
zum Generator, wo es durch Erhitzen konzentriert wird, was zur
Folge hat, daß ein Teil des Kühlmittels herauskocht. Der beschriebene Zyklus beginnt
nunmehr aufs neue: Häufig wird in. dem System eine Pumpe verwendet, die den Rückstrom
des verdünnten Absorptionsmittels zu dem Generator unterstützt. Ebenso wird auch
manchmal das verdünnte Absorptionsmittel, das von dem Absorber zu dem Generator
strömt, in färmeaustausch mit dem konzentrierten
Ab-
sorptionsmittel gebracht,
das von dem Generator zudem Absorber strömt. Die Absorptionskühlsysteme sind in
sich geschlossen und luftdicht, um den Eintritt von Luft oder anderen Ihedien in
das System bzw. das Ausströmen der Arbeitsmittel aus dem System zu verhindern.
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Die Erfindung ist natürlich auch bei anderen bekannten Absorptionskühlsystemen
anwendbar, z.B. bei. solchen, die umgekehrt laufen.
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Bekannte AbsorrtionskWilsysteme für Klimaanlagen weisen eine wässrige
Lösung von Lithium-Bromd als Absorptionsmittel und Wasser als Kühlmittel auf. Diese
Systeme erfordern, wenn sie als Klimaanlagen verwendet werden, im allgemeinen eine
Temperatur von ungefähr 40o F im Verdampfer: Um diese Temperatur und den niedrigen
Druck im Verdw-pfer aufrechtzuerhalten, mässen die Konzentration, die -"e:nperatur`
und die Absorptionsfähigkeit der AbsorptionslUsung in- dem Absorber hinreichend
sein, z.u:i einer- DGmp;"drucl- über der Absorptionslösung aufrechtzuerhalten, der
geringer ist als der Dan@`fdruck von Wasser bei der gleichen meniperattr und den,
`1 e@ ^@en Druck. -
Zur Zeit werden bei den meisten großen
Absorptionskühlsystemen für Klimaanlagen, die Wasser als Kühlmittel und eine wässrige
Lösung von Lithium-Bromid als Absorptionsmittel verwenden, der Kondensor und der
Absorber auf ihrer Arbeitsteriperatur mittels äußeren Kühlwassers gehalten. Dieses
Kühlwasser stellt einen zwischengeschalteten Wärmeübertragungsstrom dar und bringt
die Wärme zu einer Wärmesenke in Form eines Kühlturms, in dem die Wärme an die Luft
abgegeben wird. Dieser zwischengeschaltete Wärmeübertragungsstrom wird im allgemeinen
beim Absorber auf einer Temperatur von ungefähr 850 F gehalten.
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Bei einem Übertragungsstrom höherer Temperatur muß die Konzentration
des Absorptionsmittels in dem Absorber größer sein, um bei. der Lösung höherer Temperatur
einen Dampfdruck zu erhalten, der geringer ist als derjenige von Wasser bei 400
F. Bei diesen zwischengeschalteten 'Närmeüberträaungsströmen, die bei einer Temperatur
von ungefähr 1000 F arbeiten, ist die Gefahr der Kristallisation so groß, daß eine
betriebssichere Arbeitsweise des Systems nicht gewährleistet ist.
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llian hat schon seit langem versucht 7 die Wärme aus dem Ab -sorctonszyklizs,
der eine wässrige Lösung eines Salzes als Absorntie-nsmittel und Wasser als Kühlmittel
verwendet, dadurch zu en--f'ernen, daß man einen ,'iärmeaustausch direkt mit der
Luft vornimmt. Jedoch hat sich das in der Praxis bei den Absor; tionssalzlösungen,
die zur Zeit erhältlich sind, nicht be-rähxt. Bei einem derartigen luftgekühlten
System muh, dis-: 'errperatur der Urigebungsluft bei 950 F
. bis
1150,F liegen. Zum Zwecke der Erklärung sollangenommen werden, äaß die Temperatur
der Umgebungsluft 110° F sei. Um den Wertdes Hitzetransports innerhalb ökonomischer
Grenzen zu halten, ist es notwendig, daß der Prozeß bei einer Temperatur arbeitet,
die um 20° höher liegt als diejenige der Wärmesenke, d.h. also bei etwa 1300 F.
Hinzukommt, daß bei diesen Temperaturen das Absorptionsmittel .bei der erforderlichen
Konzentration in der Zage sein muß, eine flüssige Phase zu bilden, die frei von
Kristallen ist und genügend Absorptionskraft besitzt, um den niedrigen Dampfdruck
zu erzeugen, der in dem Verdampfer erforderlich ist, um die Verdanpfungstemperatur
bei etwa 400 F zu halten. Bisher waren praktisch brauchbare Absorptionsmittel nicht
bekannt, bei welchen Wasser-als Kühlmittel verwendet Wird, und die es gestatteten,
die Wärme direkt an die Luft abzugeben, trotz der Tatsache, daß eine große Zahl:
von Kombinationen aus Absorptionsmitteln und Kühlmitteln teilweise sogar während
einer längeren Zeitdauer getestet wurden, und trotz-der Tatsache, daß die Gasindustrie
viele Jahre hindurch assistierte und- die Kühlindustrie drängte, eine solche Kombination
zu finden (siehe beispielsweise die Aufsiltze "Refrigerants and Absorbents" von
Dr.t"J.,R.Hainsworth, Teile I und II, August/Sept.1944, der Zeitschrift "Refrigerating
Engineering", Seiten 97-100 und 201-205,' und Research Bulletin 14, "The Absorption
Cooling Process", 1957, veröffentlicht von dem Institute -of Gas Technology und
gefördert mit dem General Research Planning Committee of the American Gas Association):
Die
Erfindung verfolgt nun den Zweck, eine Kombination eines Kühlmittels mit einem Absorptionsmittel
zu schaffen, die die Operation in einem Absorptionskühlapparat gestattet, der bei
einer Temperatur des Verdampfers von ungefähr 40o F und,-einer Temperatur des Absorbers
bei etwa 130o F arbeitet. -Erfindungsgemäß soll ferner erreicht werden, daß die
Kombination alias dem Kühlmittel und dem Absorptionsmittel nicht eine K :-stallisation
erfährt, wenn der Absorber mittels einer Wärmesenke relativ hoher Temperatur gekühlt
wird, die bei einem System mit direkter Luftkühlung auftritt.
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Ein anderer Zweck der Erfindung besteht darin, eine Absorptionsmittelkombinatian
vorzusehen, die stabil und nicht toxisch ist und welche einen niedrigen Dampfdruck
hat und bei der Arbeitstemperatur eine geringe Viskosität besitzt, Diese Aufgaben
werden erfindungsgemäß dLi-lurch gelöst, daß Lithium-Bromid und Lithium-Jodid verwendet
werden, wobei das Gewicht von Lthium-Bromid das ca. 0,01-bis 0,94fache des Gewichts
von Lithium-Jodid ist: Weitere Einzelheiten .der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung. Darin zeigen: Fig:
1 Kristallisationskurven und einige Dampfdruckkurven für einige Absorptionskompositionen
gemäß der Erfindung und einige Kompositionen von hithium-Bromid
| und Wasser (ZiBr - H20); |
| Fig. 2 Kristallsationskurven, wobei die Temperatur |
| gegenüber :dem Gewichtsverhältnis Lithium-Jodid |
| und: Wasser aufgetragen ist, wobei zwei der |
| Kurven aus Vorveröffentlichungen und eine aus |
| Versuchen der Anmelderin stammen; |
| Fig. 3 gewisse isotherme Kristallisationskurven für die |
| Komposition lithium-Bromid, Lithium-Jodid und |
| Wasser (ZiBr-ZiI-H20), die aus Versuchen der. |
| Anmelderin resultieren;_ |
| Fig. 4 isotherme Kristallisationskurven fir gewisse |
| Kompositionen aus Lithium-Jodid, Äthylenglycol und |
| Wasser (ZiI-C2H602-H20), die aus Versuchen der |
| hnwelderin resultieren; |
| Fig. 5 isotherme Kristallisationskurven, die aus Ver- |
| suchen der Anmeldern resultieren,: für gewisse |
| Kompositionen von Lithium-Bromid, Zithium-Jodid, |
| Äthylenglycol und Wasser (ZiBr-ZiI-C2H602-H20), |
| wobei das Gewichtsvehül tnis von ZBrfIiI 0,158 ist,u. |
| Fig. 6 sotherme iristallisatiönskurven, die aus Versuchen |
| der Axmelderin resultieren, Ar gewisse Komposi- |
| tionen von lithum-Bromid, l.ithium-Jodid, Ythylen- |
| glyüoi und Nasser (ZiBr-liI-C H602-H20), wobei |
| das Gewichtsverhältnis LiBr/liI 0,375 beträgt. |
| In Figur 1 zeigen die vier Kurven, 'die mit hiBr 600, 650 |
| und 68j und "ZiBr-Kristallisationskurve" bezeichnet sind, . |
| dar es unpraktisch ist, einen Absorptionskühlvorgang bei |
| Temperaturen über etwa 1250 F mit Absorptionskühlmaschinen |
| durchzuführen, welche Lithium-Bromid und Wasserlösungen |
| als Kühlmittel-Absorptionsmittel-Kombination verwenden |
| und welche eine Kühltemperatur von ungefähr 400 F in dem |
| Verdampfer aufrechterhalten. |
| Um eine Temteratur von etwa 400 F im Verdmpfer aufrecht- |
| zuerhalten, ist ein Dampfdruck von etwa 5 mm Hg absolut |
| notwendig, der in etwa dem Dampfdruck von Wasser bei 400 F |
| entspricht. Jie oben ausgeführt ist, rmzB die Absorptions- |
| komposition bei einer Klimaeinrichtung in der Zage sein, |
| einen Dar:pfd2°"ick zu halten, der unterhalb des Dampfdrucks |
| des Wassers bei 400 F liegt. ;;renn man versucht, mit einem |
| Absorber zu arbeiten, der bei Verwendung einer wässrigen |
| `Msung von Lithium-Bromid eine Temperatur bei 1250 F be- |
| sitzt, so kann man der Figur 1 entnehmen, daidie Operation |
| sehr dicht an der Kristallisationslinie erfolgt. Das ist |
| unp,@°al=tisch, J.a. die Kristallisation bei hoher Viskosität |
| und Einfr yer(7.-x der Lösur_2- oder Verstopfen der Apparatur |
| sehr leicht e--.itreten kann: |
| Die Fj--ur 1 ze. i.gt, `an Hand der I'-Lrven, rIie mit"Absorb.- |
| , l# 1 ;,0 |
| 8Cr?7" -d "Iii)sorb.-,l#2t-tel 85-"1 bezeichnet
sind, |
| und an dpi- d-rser_ zugeordneten Kurve, die mit "Kristal-- |
| l-.sationsiuf#j-,=" bezeichnet ist, (?a.ß die beiden Beispiele |
| unserer verbe'serteAbsorrtiönskom@position in der Zage sind, |
einen Dampfdruck zu halten, der unterhalb desjenigen von Wasser
bei 40
0 F liegt, selbst wenn die Temperatur der Absorptionslösung in dem
Absorber zwischen 150o F und 170° F liegt. (Die Bestandteile dieser Beispiele und
die Verhältnisse der Bestandteile sind ebenfalls in Figur 1 angegeben.) Die Absorptionsfähigkeit
der erfindungsgemäßen Absorptionskomposition bei derart hohen Temperaturen macht
die Ableitung der Wärme direkt mittels Luft mdglich.
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Um die Kurven in Figur 1 und in den anderen Figuren verstehen zu können,
ist es zweckmäßig, das Prinzip, das im folgenden beschrieben wird und schon seit
langem bekannt ist, sich zu vergegenwärtigen. Je-größer die Zahl der Moleküle (Mole)
ist, die in der Absorptionslösung gelöst sind, um so größer ist die Dampfdruckerniedrigung
der Absorptionslösung. Je niedriger der Dampfdruck der Absorptionslösung ist, um
so größer ist die Absorptionskapazität oder Affinität der Absorptionslösung für
die Kühlmitteldämpfe. Daraus ergibt sich, daß das Molekulargewicht eines Absorptionsmittels
ebenso zu beachten ist viie die Gewichtsprozent-Konzentration in der Absorptionslösung.
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So ist z.B. das Liolekulargewicht von hithium-Bromid etwa 87 und das
von Lithium-Jodid etwa l3¢. Das hat zur Folge, daß eine lösung von Lithium-Bromid
in .nasser mit 65 Gewichtsprozenten mehr Molekizle des Absorptionsmittels enthält
als eine 72jöige hithium-Jodid-7,#llasserlösung. Das ist einer der Gründe, warum
früher Lithium-Bromid kommerziell verwendet wurde, Zithium-Jodid hingegen nicht.
Die
Anmelderin hat nun bei ihrer Suche nach einigen Kühlmittel-Absorptionsmittel-Kombinationen,
welche einen Absorptionskühlmittelprozeß gestatten, bei dem die Hitze direkt an
die Luft als tfärmesenke abgegeben wird, 'Nasser als Kühlmittel wegen seiner bekannten
Vorzüge ausgewählt, Sie hat verschiedene Absorptionsmittel mit Wassergetestet einschließlich
solcher, die bereits früher untersucht, aber wieder verworfen wurden.
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Im Verlauf dieser Untersuchungen wurde zunächst eine Lösung von Lithium-Jodid
mit äußerster Sorgfalt getestet. Dabei erhielt man Daten, die von den früher veröffentlichten
abwichen, wie sich aus Figur 2 ergibt. Diese Figur zeigt drei Kurven: Die Kurve,
die in ausgezogener Linie dargestellt ist, basiert auf Daten, die auf der Seite
1601 des "Handbook of Chemistry & Physics", 36.Ausg.,1954-5, erwähnt sind. Die
Kurve, die strichpun^-.tiert dargestellt ist, basiert auf Daten der "International
Oritical Tables", ¢.233, veröffentlicht im Jahre 1928# Di_, dritte gestrichelte
Kurve basiert auf Daten, die bei Untersuchungen der ALelderin gefunden wurden, und
von denen anzunehmen ist, daß sie vollständiger und sorgfältiger gemacht wurden
als die früher gefundenen Werte. Die von der Anmeldern . gefundene Kurve zeigt nun
überraschenderweise und völlig unerwartet einen Einschnitt zwischen 71 und 78 Gewichtsprozent
des Lithium-Jodids: Diese Tatsache legt die Vermutung nahe, daß Lithium-Jodid Eigenschaften
haben könnte, die für die Absorption von Wasser bei hohen Temperaturen geeignet
sind. .
| Im weiteren Verlauf der Untersuchungen wurden eine |
| Reihe von isothermen Kristallisationskurven einer |
| wässrigen Absorptionslösung bestimmt, die lithium-Bromid |
| und Lithium-Jodid in verschiedenen Verhältnissen aufweist. |
| Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Figur 3 |
| dargestellt, die ein dreieckiges Koordinatenfeld zeigt, |
| in welchem die Kristallisationslinie für 1500 F am bemer- |
| kensivertester_ ist, da sie in unüblicher und unerwarteter |
| 'leise verläuft. Der Knick in der LiBr-IiI-H20-Kurve |
| für 150o F ist teilweise der Einbuchtung zuzuschreiben, |
| welche die Anmelderin bei der Llthium-Jodid-"fasserkurve |
| fand, die im Zusammenhang mit Figur 2 diskutiert :Jarde. |
| Die Krümmung in der Kristallisationskurve für 1500 F ge- |
| währt einen größeren Bereich für die Existenz von Msungen, |
| die oberhalb 150o F nicht einfrieren, als es mü S;li_ch |
| wenn die Kurve der Gleichmäßigkeit der anderen Kurve, für |
| niedrigere Temperatur folgen würde.. Dieses Resultat konnte |
| nicht aus den Kristallisationskurven f-.ir niedrigere ''e:i- |
| peraturen, die in der Figur 3 dargestellt sind, vcrausge- |
| sagt werden: Sie lassen vielmehr de--, Schluß zu, da' sich |
| die Kristallisationskurve für 1500 r' ü1 der gestricl.elten |
| Linie 10 fortsetzen mizBte. Die 17.0° n- und. 2000 F-Kurven |
| in Figur 3 zeigen, daß selbst hö;äere Temperaturen und? |
| Konzentrationen des Lithium-Bromi d-Li.thium-Jodid-Ar- |
| sorn tionsmittels verwendet «erden k;innen, falls es notwen._li |
| i st |
| #.urne ^iit eisen Lithium--rom'a- |
| Eire weitere Untersuchung @; |
| =thylenlycol-",7assers;,-stem (Zi#r-#2_i602-H20) durchgef-'-Hirt. |
| Man fand, d:@.: dieses Systems |
| des Wassers ,egen,4b er den ZU s ar'°n bei n i.edr igerer |
Konzentration des Lithium-Bromids erzeugt bzw..die Verwendung
von höheren Konzentrationen des Lithium-Bromids gestattet, das bei höheren Temperaturen
verwendet wird,-ohne daß die Gefahr der Kristallisation besteht. Die Viakosi= tät
solcher Lösungen war jedoch sogar bei
150® F relativ hoch, so daß aus diesem
Grunde dieses System nicht so vorteilhaft sein dürfte.
| Schließlich wurden: Versuche mit Lithium-Jodid, Äthylen- |
| glycol und Wasser (hiI-C2"602-n20) durchgeführt. Die .ent- |
| sprecheeden Ergebnisse finden sich in Figur 4..Der Test |
| bei 150 F wurde nicht auf eine Komposition ausgedehnt, |
| .die kein Wasser aufweist; es wurde jedoch die vernünftige |
| Annahme gemacht, daß sich die Kurve längs der punktierten |
| Linie 12 erstreckt und daß die 1200 F- und die 100° F-Kurven |
| etwa in gleicher Weise ausgebildet sind. Diese Kurven zei- |
| gen, daß die Löslichkeit von. Lithium-Jodid in Äthylengly-- |
| col-Wasser größer sein kann als diejenige von Lithium- |
| Jodid in Wasser. Die ,Kurven zeigen ferner eine höhere Lös- |
| lichkeit für Lithium-Jodid in reinem Äthylenglycol als |
| für Lithium-Jodid in reinem Wasser. |
| Ermutigt durch diese Ergebnisse, wurde eine weitere Unter- |
| suchung durchgeführt, die sich mit lithium-Jodid, Lithium- |
| Bromid, Äthylenglycol und Wasser (LiI-LiBr-C2%02-H20) be- |
| faßtef wobei das Schwergewicht. auf vollständigere Aussagen |
| innerhalb des Bereichs der unüblichen Löslichkeit, die |
| in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist" gelegt wurde. |
| Unter den verschiedenen Salzverhältnissen (LiBrjLI), die. |
| getestet Wurden, befanden sich such solche mit den Werten I
. |
| 01,158 und-09375. Figur 5 zeigt eine Salzlösung, die |
| ein Verhältnis LiBr`ZI von 0.158 aufweist' und Figur 6 |
| zeigt eine Salzlösung, bei der das Verhältnis liBr/hiI |
| 0975 ist. |
| Die Ergebnisse bei den Kornpositionen, die in den Figu- |
| ren 5 und 6 veranschaulicht sind,: waren sehr zufrieden- |
| stellend: Das gleiche gilt für die Ergebnisse, die für |
| Lithium-Bromid, Zithium-Jodid und Äthylenglycol-Kompo- |
| sitionen erhalten wurden und die speziell in Figur 1: berück-. |
| sichtigt sind, und die in der folgenden Tabelle aufgeführt |
| sind |
Wie dargelegt wurde, enthält das erfindungsgemäße Absorptionsmittel
lithium-Bromid und Lithium-Jodid. Das Gewichtsverhältnis von Lithium-Bromid zu Lithium-Jodid
sollte zwischen 0,01 und 0,94, zweckmäBigerweise zwischen 0,15 und 0:3? und insbesondere
zwischen 0,15 und 0,25 liegen. Mit solchen Absorptionskompositionen kann ein. luftgekühlter
Absorber in einem Absorptionskühlsystem verwendet
werden, das Wasser als
KUhl.mittel verwendet.
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39 wurde ferner dargelegt, daB die Zugabe
von Äthylenglycol zu. der wässrigen Lösung von lithium-Bromid und Lithium-Jodid
es möglich macht, die Absorptionskomposition in einem Absorptionskühlsystem
zu verwenden, das eine Wärmesenke relativ hoher Temperatur aufweist. Ferner
reduziert es den Gefrierpunkt der Lösung, ohne eine unangenehme hohe Viskosität
z, erzeugen. Es ist zweckmäßig, Äthylenglycol in einer solchen Menge zu verwenden,
d:aB das Gesamtgewicht von Lithium-Bromid und Lithium-Jodid etwa das 1- bis.99fache
des Gewichts von Äthylenglycol ist. Vorzugsweise soll das Gesamtgewicht von lithium-Bromid
und Lithium-Jodid etwa das 3- bis 19fache des Gewichts von Äthylenglycol
sein, wobei es ganz besonders zweckmäßig ist, wenn es zwischen
dem
5- und 12fachen des Gewichts von Äthylenglycol liegt. Es sei erwähnt» daB
in üblicher Weise kleine Mengen von korrosionsverhindernden Substanzen
zu den Abeorptionskompositionen zugefügt werden können.
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Die Erfindung wurde an Hand einer bevorzugten
Ausführlulgsform
beschrieben. Es ist selbstverständlich, daß Änderungen vorgenommen werden können,
ohne daß der Kern der Erfindung verlassen wird.
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Die Prozent-Angaben sind sämtlich Gewichts-Prozent-Angaben.