DE19963284A1 - Hydrozyklonanordnung - Google Patents

Hydrozyklonanordnung

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DE19963284A1 DE1999163284 DE19963284A DE19963284A1 DE 19963284 A1 DE19963284 A1 DE 19963284A1 DE 1999163284 DE1999163284 DE 1999163284 DE 19963284 A DE19963284 A DE 19963284A DE 19963284 A1 DE19963284 A1 DE 19963284A1
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Friedrich Donhauser
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    • B04CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04CAPPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/14Construction of the underflow ducting; Apex constructions; Discharge arrangements ; discharge through sidewall provided with a few slits or perforations
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B04CAPPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
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    • B04C5/28Multiple arrangement thereof for parallel flow

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hydrozyklonanordnung mit einem Einlauf der Aufgabetrübe, einem Oberlauf und einem Unterlauf, wobei der Einlauf von einer Pumpe in eine Aufnahmekammer geführt wird. Der Oberlauf ist in eine Sammelkammer geleitet, und für den Unterlauf steht ein freier Auslauf zur Verfügung. Erfindungsgemäß sind mehrere, bevorzugt gleich bemessene Hydrozyklone vorgesehen und diese so räumlich dicht beieinander angeordnet, daß die Oberläufe dieser Hydrozyklone in die für sie gemeinsame Oberlaufsammelkammer münden, wobei die Oberlaufsammelkammer als Drucktopf ausgebildet ist und über eine Oberlaufsammelleitung mit einem verstellbaren Regelventil und einer zugehörigen Regeleinrichtung für die Einstellung des Volumensplittes, nämlich des Verhältnisses der Volumenströme von Oberlauf und Unterlauf, zusammenwirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Regelung des Betriebes eines Hydrozyklons oder einer Hydrozyklonanordnung gemäß Patentanmeldung 198 49 870.5.
Aus der DE-AS 21 37 137 ist eine Hydrozyklonanordnung der gattungsgemäßen Art bekannt. Dort wird vorgeschlagen, die Zulaufkammer oberhalb der Überlaufkammer anzuordnen, wobei sich von der Zulaufkammer her die Zulaufstutzen geradlinig nach außen zu den Hydrozyklonen hin erstrecken. Auf diese Weise soll die für das Hochpumpen des Überlaufes notwendige Energie und der dazugehörige Druck verringert werden. Zu­ gleich besteht die Möglichkeit, die Bauhöhe einer derartigen Hydrozyklonanordnung zu reduzieren.
Zur Erzielung hoher Feststoffabscheidung im Unterlauf, bzw. niedriger Trennkorngrößen müssen Hydrozyklone mit kleinen Nenndurchmessern eingesetzt werden. Infolge geringer Unter­ laufdüsendurchmesser ist aber die Feststoff-Austragskapazität kleiner Hydrozyklone beschränkt. Man hat versucht, diesem Nachteil dadurch abzuhelfen, daß man zur Erzielung geringer Trennkorngrößen mehrstufig gearbeitet hat, indem zunächst eine Vorabscheidung in größeren Hydrozyklonen erfolgt. In dem Zusammenhang ist aber eine Eigenschaft von Hydrozyklonen nachteilig, wonach bei einer Veränderung der Aufgabebe­ dingungen, d. h. des Feststoffgehalts und/oder der Korn­ größenzusammensetzung des Feststoffes sich auch das Trenner­ gebnis des Hydrozyklons verändert. Hierzu hat man Regelungen des Volumensplitts mit Hilfe von regelbaren Unterlaufdüsen in Abhängigkeit vom Aufgabefeststoffgehalt vorgesehen. Auch dies ist umständlich. Das gleiche gilt für die Anbringung von Stellgliedern an Einzelzyklonen zur Durchführung entsprechen­ der Regelmaßnahmen.
Bekannt ist auch eine Hydrozyklonenanordnung aus DE 195 08 430 A1. Diese Literaturstelle befaßt sich mit einer Verbesserung der Abscheidung der festen Phase im Hydrozyklon­ unterlauf und dabei der Sicherstellung eines maximalen Fest­ stoffaustrages bzw. einer maximalen Eindickung bei schwanken­ den Aufgabebedingungen. Zur Lösung dortiger Aufgabe, insbe­ sondere bei kleinen Hydrozyklonen, ist dafür gesorgt, daß der gesamte Hydrozyklon bei seinem Betrieb keinen oder einen doch sehr reduzierten Luftkern in sich aufweist, d. h. ganz oder überwiegend mit Flüssigkeit ausgefüllt ist. Dies hat eine entsprechende Zunahme des Durchsatzes zur Folge. Auch ergibt sich eine Aufsplittung der im Oberlauf und im Unterlauf ab­ ziehbaren Teilströme zugunsten des Oberlaufes. Es ist ferner ein Belüftungsventil vorgesehen, wobei durch Öffnen oder Schließen dieses Ventiles das Teilungsverhältnis (Volumen­ splitt genannt) der in den Oberlauf und Unterlauf gelangenden Volumenströme einstellbar und veränderbar sein soll. Die beim Gegenstand der o. g. Literaturstelle hierzu vorgesehenen bau­ lichen Mittel sind relativ aufwendig, da entsprechend DE 195 08 430 A1 bei Multianordnungen kleiner Hydrozyklone zusätzliche Vorrichtungen an jedem Einzelhydrozyklon not­ wendig sind.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, in besonders einfacher Weise eine Regelung des Volumensplits bei Hydrozyklonen zu ermöglichen.
Gemäß Hauptpatentanmeldung ist vorgesehen, die gemeinsame Oberlauf-Sammelkammer als Drucktopf auszubilden und über eine Oberlaufsammelleitung mit einem Regelventil und einer zuge­ hörigen Regeleinrichtung für die Einstellung des Volumen­ splits, nämlich des Verhältnisses der Volumenströme von Oberlauf und Unterlauf zu verbinden.
Durch Verstellung des Regelventiles bevorzugt in Abhängigkeit vom Betriebszustand kann der Volumensplit eingestellt oder geregelt werden. Bei einer Drosselung dieses Regelventiles wird der Oberlaufstrom aller Hydrozyklone oder eines Hydro­ zyklons verringert. Außerdem wächst der Druck im Innern des Hydrozyklons, womit der Unterlaufaustragstrom des Grobgutes verstärkt wird. Der o. g. Betriebszustand des Hydrozyklons wird durch den Feststoffgehalt und die Korngrößenzusammen­ setzung des Feststoffgehaltes der aufgegebenen Trübe be­ stimmt. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, daß ein Hydro­ zyklon in Abhängigkeit von seinem Betriebszustand unter­ schiedliche Mengen an Feststoffen in seinem konischen, unteren Abschnitt speichert. Da auch mehrere, bevorzugt eine größere Anzahl von Hydrozyklonen vorgesehen sein können, ergibt sich die Möglichkeit des Einsatzes von Hydrozyklonen kleinerer Bauart, die jeweils einen relativ großen Austrag an Feststoff erlauben. Hierdurch wird die Kapazität der Gesamt­ anordnung verstärkt. Der hierfür erforderliche bauliche Aufwand ist relativ gering. Diese Vorteile sind mit der erfindungsgemäßen Regelung bzw. Einstellung des Volumensplits gekoppelt. Somit ist es vorteilhafterweise auch möglich, eine Gruppe solcher, kleinerer Hydrozyklone mit Hilfe eines einzigen Regelventils zu regeln bzw. einzustellen.
Aus der erfaßten Masse des gespeicherten Sediments im Hydro­ zyklonkonus kann eine Regelgröße für den Volumensplit abge­ leitet werden, indem eine entsprechende Wechselwirkung mit dem erwähnten Regelventil in der Sammelleitung des Oberlauf­ stroms des oder der Hydrozyklone im Fall einer Hydrozyklon­ batterie hergestellt wird. Die Masse des gespeicherten Fest­ stoffs im Hydrozyklonkonus bestimmt, inwieweit grobes Korn in den Feinkornaustrag des Hydrozyklonoberlaufs abgetrennt wird und somit die Trennkorngröße des Hydrozyklons steigt.
In vielen Fällen wird bei der Hydrozyklontrennung sowohl eine maximale Feststoffabscheidung als auch eine maximale Fest­ stoffeindickung im Unterlauf gewünscht.
Der optimale Betriebspunkt, welcher beiden Forderungen gerecht wird, ist gerade dann erreicht, wenn bei freiem Aus­ trag des Grobkornstroms im Hydrozyklonunterlauf die Form des Austragstrahls von einem Strang zu einem sogenannten Schirm umschlägt. Solange im Unterlauf die Strangform beobachtet werden kann, ist noch Sediment im Konus gespeichert, was einerseits einen hohen Feststoffgehalt bzw. eine hohe Ein­ dickung im Unterlauf bedeutet, andererseits einen zumindest partiellen Fehlaustrag dieses grobkörnigen Gutes im Unterlauf nach sich zieht.
Im Falle des erwähnten Schirmaustrags ist kein Sediment mehr im Hydrozyklonkonus gespeichert, d. h. in diesem Fall ist ein maximaler Feststoffaustrag im Hydrozyklonunterlauf gewähr­ leistet.
Andererseits ist der Feststoffgehalt im Unterlauf bzw. die Eindickung wesentlich geringer als beim Strangaustrag.
Der Grundgedanke vorliegender Erfindung ist es, den Umschlag des Hydrozyklonunterlaufs von Strang- zu Schirmaustrag, welcher ein Indikator eines optimalen Betriebszustands ist, zu ermitteln und dieses Signal zur Ansteuerung des Regel­ ventils zu nutzen.
Die Form des Austrittsstrahls des Hydrozyklonunterlaufs kann mittels einer indirekt oder direkt arbeitenden Sonde mittels Berührung oder auf berührungslose Weise erfaßt werden.
Beispielsweise kann der Umschlag von Strang zu Schirm, d. h. der sich dann verbreiternde Strahl, von einer fest instal­ lierten, in einem bestimmten Abstand angeordneten Sonde, welche mit dem Strahl beaufschlagt wird, erfaßt werden. In diesem Fall wird ein Signal ausgelöst, das anzeigt, daß kein Sediment mehr im Hydrozyklonkonus gespeichert ist. Durch ent­ sprechende regelungstechnische Eingriffe, beispielsweise durch Öffnung des Regelventils im Hydrozyklonoberlauf bzw. in der Sammelleitung des Oberlaufs einer Hydrozyklonbatterie ist dann der Volumensplit, d. h. das Verhältnis von Oberlauf zu Unterlauf Volumenstrom so änderbar, daß sich kurzzeitig wieder Sediment im Hydrozyklonkonus sammelt. In diesem Fall schlägt der Hydrozyklonunterlauf wieder von Schirm- zu Strangaustrag um. Anschließend wird das Regelventil geschlos­ sen und es erfolgt ein regelungsseitiges Herantasten an den Umschlagspunkt von Strang zu Schirm.
Der Regelungszyklus kann in weiterer erfindungsgemäßer Ausge­ staltung auch durch Kombination einer Regelventilverstellung mit einer Verstellung der Drehzahl der Speisepumpe ausgeführt werden.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, eine Grob- und Feinrege­ lung dergestalt durchzuführen, daß zum einen der Umschlag am Hydrozyklonunterlauf regelungstechnisch ausgenutzt wird und andererseits ein Abstellen auf die Massebestimmung bezüglich des Sediments im Hydrozyklonkonus gemäß Hauptpatent vorge­ nommen wird.
Die erfindungsgemäßen Vorteile bestehen darin, daß die Fest­ stoffaustragskapazität eines Hydrozyklons bzw. einer Hydro­ zyklonanordnung in Form einer Hydrozyklonbatterie wesentlich erhöht werden kann. Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungs­ form ist es weiterhin möglich, gegebenenfalls eine zwei­ stufige Hydrozyklonschaltung durch eine einstufige Anordnung zu ersetzen, welches zu reduzierten Kosten beim Errichten und Betreiben derartiger Anlagen führt.
Die Erfindung soll anhand der nachfolgenden Beschreibung und zugehörigen Zeichnungen von erfindungsgemäßen Ausführungsbei­ spielen näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Hydrozy­ klonanordnung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf Fig. 1 gemäß dem Pfeil II in Fig. 1,
Fig. 3 die Seitenansicht zu Fig. 2,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsmöglichkeit mit einem einzigen Hydrozyklon und
Fig. 5 eine prinzipielle Darstellung des regelungstech­ nisch ausgenutzten Umschlagens von Strang- zu Schirmaustrag.
Die Aufgabentrübe 1 wird über einen Pumpensumpf 2 und eine Pumpe 3, die einen frequenzgeregelten Antrieb 4 haben kann, einer Zulaufkammer 5 über eine Leitung 6 zugeführt. Oberhalb der Zulaufkammer 5 befindet sich eine Oberlauf-Sammelkammer 7. Fig. 2 und 3 zeigen hierzu eine bevorzugte Ausführung, nämlich eine rotationssymmetrische Anordnung einer größeren Anzahl von Hydrozyklonen 8. In Fig. 2 sind aus zeichnerischen Gründen hierzu nur vier Hydrozyklone 8 dargestellt. Dies kann aber auch eine demgegenüber größere Anzahl von Hydrozyklonen sein. Sie sind um eine gemeinsame Mittelachse 9 angeordnet. Bevorzugt sind die Zulaufkammer 5 und die Oberlaufsammelkam­ mer 7 mittig in dieser rotationssymmetrischen Hydrozyklon­ anordnung positioniert (siehe Fig. 2), womit (Fig. 1) die Längsmittelachse dieser beiden Kammern mit der Mittelachse 9 der konzentrischen Hydrozyklonanordnung zusammenfällt.
Die Oberläufe 11 der Hydrozyklone 8 werden der Oberlaufsam­ melkammer 7 zugeleitet (siehe auch Fig. 2 und 3). Fig. 1 zeigt ferner die Verbindungen 12 von der Zulaufkammer 5 zu den Einläufen der Hydrozyklone 8. In der Draufsicht gemäß Fig. 2 sind die Verbindungen 12 nicht zu erkennen, da sie von den Oberläufen 11 verdeckt sind. Die Verbindungen 12 führen die Aufgabentrübe dem jeweiligen Hydrozyklon in bekannter Weise ebenfalls tangential zu (in der Zeichnung nicht darge­ stellt). Die vorgenannten Verbindungen 11 und 12 können fle­ xible Schläuche sein. Etwa vorhandene Luft wird durch die Rotation der Trübe im Sammelbehälter-Innern und zwar entlang der Mittelachse 9 zusammengeführt. Sie ist durch das Auslaß­ ventil 22 nach außen ableitbar.
Die Unterläufe 13 der Hydrozyklone 8 werden einer gemeinsamen Austragsschurre 14 zugeleitet und von dort gemäß Ziffer 14' nach unten abgeführt.
Es ist ein Regelventil 15 vorgesehen, das ggf. einen Stellmo­ tor 16 aufweist und von dem Druck in der Oberlaufsammelkammer 7 über eine Oberlaufsammel-Leitung 17 beaufschlagt wird.
Ferner kann einer der Hydrozyklone 8 als Meßhydrozyklon 8' ausgebildet sein. Das Niveau des in seinem unteren Bereich stehenden Feststoffes wird gemäß Ziffer 18 mit Hilfe einer Meßzelle festgestellt. Diese Meßzelle steht in Verbindung mit einem PC oder einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) 19, der bzw. die außerdem eine Verbindung 20 zum Stellmotor 16 des Regelventiles 15 und eine weitere Verbindung 21 zum Antrieb der Pumpe 3 haben kann.
Mit der vorbeschriebenen Anordnung können die nachfolgenden Daten gemessen und vom Prozeßrechner 19 erfaßt und ausgewer­ tet werden:
Die aufgestaute Feststoffmenge 18 im Meßzyklon 8¾ die Drücke in der Zulaufkammer 5 und der Oberlaufsammelkammer 7 sowie der Aufgabemengenstrom in der Leitung 6. All diese Meßgrößen werden dem Prozeßrechner 19 als Input zugeführt. Dessen Aus­ gang 20 bewirkt über ein Verstellen des Regelventils 15, und ggf. auch mittels des Ausganges 21 durch eine Verstellung der Drehzahl der Pumpe 3 eine Einstellung oder Regelung des Volu­ mensplitts. Bei einer Drosselung der Oberlaufsammelleitung 17 des Hydrozyklons durch das Regelventil 15 wird der Gesamt­ durchsatz der Hydrozyklonbatterie verringert. Dies ist im Normalfall unerwünscht, jedoch kann dem durch eine Erhöhung der Drehzahl der Pumpe 3 entgegengewirkt werden. Die Erhöhung der Pumpendrehzahl und damit des Volumenstromes kann soweit gesteigert werden, bis bestimmte Maximaldrücke in der Zulauf­ kammer 5 und in der Oberlaufsammelkammer 7 erreicht sind, die aus Sicherheitsgründen nicht überschritten werden dürfen.
Die erfindungsgemäße Lehre setzt voraus bzw. beinhaltet, daß die Oberläufe 11 der Hydrozyklone 8, die Oberlaufsammelkammer 7 und die Oberlaufsammelleitung 17 am Ausgang des Sammeltop­ fes weitgehend frei von Luftblasen sind. Um etwa einge­ drungene Luft entfernen zu können, ist die Sammelkammer mit einem hier nur schematisch angedeuteten Entlüftungsventil 22 versehen.
Im übrigen können die Zuleitungen, insbesondere flexiblen Schläuche der Oberlaufleitungen 11 der Hydrozyklone in den oberen Bereich der Oberlaufsammelkammer ebenfalls bevorzugt tangential eingeführt werden, so daß sich hierdurch im Innern der Oberlaufsammelkammer eine Wirbelströmung ausbildet.
Auch die o. g. Oberlaufsammelleitung 17 ist im unteren Be­ reich der Sammelkammer tangential angebracht, so daß ein ver­ wirblungsarmer und druckverlustarmer Austritt des Oberlaufes aus der Sammelkammer in die Oberlaufsammelleitung 17 gewähr­ leistet ist. Auch kann die Oberlaufsammelkammer 7 ein Manome­ ter 23 zur Messung des Drucks aufweisen.
Es können also mit einem einzigen Regelventil 15 sämtliche Hydrozyklone dieser "Batterie" geregelt werden, welche sämt­ lich die zugehörige Oberlaufsammelkammer 7 mit ihren Oberläu­ fen 11 speisen. Die Regelung mit Hilfe des feinkörnigen Ober­ laufes kann wesentlich subtiler erfolgen als eine Regelung im demgegenüber grobkörnigen Unterlauf. Man regelt sozusagen in der "dünnen Phase" und nicht im grobkörnigen Schlamm.
Gemäß der prinzipiellen Darstellung nach Fig. 5, die einen typischen Umschlag von Strang- zu Schirmaustrag darstellt, soll deutlich gemacht werden, wie dieser Umschlag als Indi­ kator für den Zustand im Hydrozyklonunterlauf regelungs­ technisch genutzt werden kann.
Solange im Unterlauf des dargestellten Hydrozyklons Strang­ form beobachtet werden kann, ist Sediment im Konus 100 gespeichert, was einen hohen Feststoffgehalt bzw. einen hohen Eindickungsgrad im Unterlauf bedeutet, aber auch einen zumin­ dest partiellen Fehlaustrag von grobkörnigem Gut im Oberlauf nach sich zieht. Der typische Strangaustrag 300 ist im linken Teil der Fig. 5 erkennbar.
Im Falle des Schirmaustrags 200 gemäß rechtem Bildteil der Fig. 5 ist kein Sediment mehr im Hydrozyklonkonus 100 ent­ halten, so daß ein maximaler Feststoffaustrag gewährleistet ist. Weiterhin ist der Feststoffgehalt im Unterlauf bzw. der Eindickungsgrad wesentlich geringer als beim Strangaustrag 300.
Die Form des Austrittsstrahls des Hydrozyklonunterlaufs bzw. am Austritt des Hydrozyklonkonus 100 kann nun mit Hilfe einer beabstandet angeordneten Sonde 400 erkannt bzw. abgetastet werden. Diese Sonde kann auf unterschiedlichen Meßprinzipien beruhen, z. B. als Berührungssonde ausgebildet sein. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel berührt beim Umschlag von Strang zu Schirm der sich verbreiternde Strahl die Sonde 400, wodurch ein Signal ausgelöst wird, welches anzeigt, daß kein Sediment 500 mehr im Hydrozyklonkonus 100 gespeichert ist. Das Sondensignal kann dann ggf. über eine entsprechende Signalverarbeitung dem Regelventil 15, wie vorstehend beschrieben, zugeführt werden, um den Volumensplit in gewünschter Weise einzustellen, so daß insgesamt die Aus­ tragskapazität der Unterläufe erhöhbar ist. Durch die vorgestellte Erfindung ist es möglich, bei stark schwankenden Aufgabebedingungen den Betrieb hinsichtlich Feststoffgehalt, Korngrößenzusammensetzung und Trennkorngröße zu stabilisieren, sowie den Feststoffgehalt bzw. den Fest­ stoffaustrag im Unterlauf zu maximieren. Unter Berücksichti­ gung der regelungstechnischen Nutzung des Übergangsbereichs von Strang- zu Schirmaustrag kann die Trennschärfe am Optimum des Hydrozyklons oder einer Hydrozyklonbatterie gefahren werden, was weitere Vorteile nach sich zieht.
Alternativ kann auch eine kontinuierliche bzw. quasi konti­ nuierliche Überwachung der Kornverteilung bzw. einer kenn­ zeichnenden Korngröße im Zulauf oder Oberlauf und/oder Unter­ lauf der "Hydrozyklonbatterie" als Eingangsmeßgröße des Be­ triebszustandes dieser verwendet werden.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist nur ein einziger, grö­ ßerer Hydrozyklon 8" vorgesehen, dessen Oberlauf 11 eben­ falls zu einem Regelventil 15 geführt wird. Im übrigen kann zum weiteren Aufbau und zur Funktion auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen werden. Der die Feststoffmasse aufneh­ mende, zum Austrag 24 konisch zusammenlaufende Abschnitt die­ ses Hydrozyklons 8' ist mit 25 beziffert. Ferner ist dort eine Meßvorrichtung 26 für die Erfassung des aufgestauten Feststoffes vorgesehen.

Claims (3)

1. Anordnung zur Regelung des Betriebs eines Hydrozyklons oder einer Hydrozyklonanordnung gemäß P 198 49 870.5, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Austragstrahls im Unterlauf mindestens eines Hydrozyklons mit Hilfe einer Sonde erfaßt und das Sonden­ signal dem Regelventil in der Oberlaufleitung des Hydrozy­ klons oder der Oberlaufsammelleitung einer Hydrozyklon­ batterie für die Verstellung des Volumensplits zugeführt wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des Volumensplits zusätzlich im Sinne einer Fein- und Grobregelung bei einem oder allen Hydrozyklonen Meßmittel zur Erfassung der in dem jeweiligen konischen Unterteil befindlichen Masse an schwerem Austrittsgut vorgesehen sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde den Umschlag der Austragsform des Unterlaufstroms von Strang (300) zu Schirm (200) erfaßt.
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