DE3011839A1

DE3011839A1 - Behaelter fuer wasser als latentwaermespeichermasse

Info

Publication number: DE3011839A1
Application number: DE19803011839
Authority: DE
Inventors: Antrag Auf Nichtnennung
Original assignee: Stefan Nau & Co GmbH
Current assignee: Stefan Nau & Co GmbH
Priority date: 1980-03-27
Filing date: 1980-03-27
Publication date: 1981-11-05

Description

PATENTANWÄLTE

Dr.-lng. Wolff t H. Bäftßsi 1 Q O Q Dlpl.-Chem. Dr. Brandes Dr.-lng. Held DipL-Phys. Wolff

ZUGELASSEN VOR DEM DEUTSCHEN UND EUROPÄISCHEN PATENTAMT

Lange Str. 51, D -7000 Stuttgart

Tel. (0711) 29 63 10 u. 29 73

Telex 07 22312 (patwo d)

Telegrammadresse:

tlx 07 22312 wolff Stuttgart

PA Dr. Brandes: Sitz München

Postscheckkto. Stuttgart 7211-700 BLZ 600100 70

Deutsche Bank AG₁ 14/28630 BLZ 600700 70

25. März 1980
Reg.-Nr. 126 063 75O8unn

Firma Stefan N a u GmbH. & Co., 7405 Dettenhausen

(Baden-Württ.)

Behälter für Wasser als Latentwärmespeichermasse

Die Erfindung betrifft einen Behälter für Wasser als Latentwärmespeichermasse .

Um diese Behälter zum Speichern der Schmelzwärme des Wassers als Latentwärmespeicher ausnutzen zu können, muß die

Möglichkeit geschaffen werden, daß das Wasser im Behälter, ohne den Behälter zu beschädigen, gefrieren kann. Bekanntlich dehnt sich jedoch Wasser beim Gefrieren aus. Um daher zu verhindern, daß der Behälter beim Gefrieren des Wassers aufgerissen wird, darf der Innenraum des Behäl-

ters nicht ganz mit Wasser gefüllt werden. Auch muß sich

der Innenraum des Behälters nach oben hin über den Wasserspiegel hinaus bis zur Decke erweitern, damit das an
seiner Oberfläche zuerst gebildete Eis beim weiteren

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Bestätigung verbindlich

Gefrieren des Wassers durch die dadurch bedingte Volumenvergrößerung nach oben ausweichen kann.

Die Erfindung befaßt sich mit dem Zweck, einen Behälter für die Speicherung der Schmelzwärme von Wasser optimal zu gestalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Behälter für Wasser als Latentwärmespeichermasse zu schaffen, dem die Volumenvergrößerung des Wassers beim Gefrieren nicht schadet.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch einen Überlaufraum gelöst, der mit dem unteren Teil des Behälterinnenraumes durch ein Verbindungsrohr verbunden ist, das vom Behälterinnenraunt wärmeisoliert ist und einen Teil aufweist, der sich über den im Behälter vorgesehenen Wasserspiegel erhebt. Da das spezifische Gewicht des Wassers mit von 4°C abnehmender Temperatur und beim Gefrieren abnimmt, entsteht beim Unterschreiten von 4°C eine Wärmeschichtung des Wassers mit von unten nach oben fallender Temperatur. Das hat zur Folge, daß bei unter

4°C liegenden Temperaturen unten die wärmsten Teile des Wassers und oben die kältesten Teile sind, bis dann das Wasser oben gefriert. Dadurch, daß gemäß der Erfindung der untere Teil des Behälterinnenraumes mit dem Überlaufraum verbunden ist, wird durch die Ausdehnung des Eises beim Gefrieren das unter dem Eis befindliche Wasser in den überlaufraum gedrückt, so daß nunmehr Raum für die Volumenvergrößerung des Eises nachgeschaffen wird. Die Erfindung ermöglicht es also, den Behälter beliebig auszubilden, also auch so, daß er sich in seinem oberen Teil nach oben nicht erweitert, sondern verengt, wie das bei zylindrischen und kugelförmigen Behältern der Fall ist, die sich insbesondere aus statischen Gründen besonders bewährt haben. Das beim Gefrieren sich nach unten erweiternde Eis drückt dann immer das darunter befindliche

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Wasser in den Überlaufraum, so daß dadurch Raum für das Eis geschaffen wird. Dadurch, daß das Verbindungsrohr vom Behälterinnenraum wärmeisoliert ist, kann sichergestellt werden, daß bei Abkühlung des Behälterinnenraumes bis unter den Gefrierpunkt das Verbindungsrohr nicht einfriert und dadurch die Verbindung nicht durch das Unterkühlen des Innenraumes unterbrochen wird. Beim Auftauen des Eises wird durch die dadurch eintretende Volumenverringerung das Wasser aus dem überlaufraum wieder in den Behälter zurückgesaugt, wenn dieser luftdicht abgeschlossen ist. Ist der überlaufraum auch hermetisch abgeschlossen und größer als die verdrängte Wassermasse, dann wird das Zurückfließen auch noch durch die im Überlaufraum komprimierte Luft gefördert.

Ein besonders einfaches Ausführungsbeispiel eines'Behälters gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als Überlaufraum ein beim Füllen des Behälters mit Wasser freigehaltener oberer Teil des Innenraumes des Behälters vorgesehen ist und daß das Verbindungsrohr sich außerhalb des Behälters erstreckt. Dieser Behälter für Wasser als Latentwärmespeichermasse darf nicht ganz mit Wasser gefüllt werden, ähnlich wie das bei Behältern dieser Art bekannt ist, um dort ein Sprengen des Behälters durch das gefrierende Wasser zu vermeiden. Er kann aber, wie bereits oben ausgeführt, beliebig, also auch sich nach oben verengend, ausgeführt werden. Eine besondere Isolation des Verbindungsrohres ist nicht erforderlich, da, wenn man das Verbindungsrohr in einem Abstand von der Behälterwand außen vom unteren Teil des Behälterinnenraumes zum oberen Teil des Behälterinnenraumes führt, eine Isolation durch den dazwischenliegenden Luftraum automatisch gegeben ist. Wird ein solcher Behälter z.B. als Erdwärmeabsorber so tief im Erdreich vergraben, daß er sich in einem sicher nicht gefrierenden Erdreich befindet, dann ist durch das das überlaufrohr allseitig umgebende Erdreich gewährleistet,

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daß auch das überlaufrohr nicht gefrieren kann. Wird dieser Behälter hierbei nur so weit gefüllt, daß das beim Gefrieren des gesamten Wassers vom Eis eingenommene Volumen nicht größer ist als das Volumen des Innenraumes des Behälters, dann kann auch noch das durch das überlaufrohr in den oberen Teil des Innenraumes eingeflossene Wasser anschließend gefrieren, so daß das gesamte Volumen des Innenraumes zur Speicherung der Latentwärme ausgenutzt wird.

Als Überlaufraum kann ein vom Behälterinnenraum getrennter Raum vorhanden sein. Dieser getrennte Raum kann durch einen Zusatzbehälter gebildet sein. Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Überlaufraum ein durch eine wärmeisolierende Wand vom Innenraum des Behälters abgeteilter Raum ist und daß das Verbindungsrohr im Überlaufraum angeordnet ist und in den unteren Teil des über1aufräumes mündet.

Bei Behältern für Wasser als Wärmespeicher ist es in der Regel erforderlich, im Behälter einen Wärmetauscher, z.B.

in Form eines Rohrsystems, vorzusehen, durch den die Wärme in das Wasser eingespeichert und/oder aus diesem entnommen wird. Hier ergeben sich wieder Schwierigkeiten, wenn das Wasser als Latentwärmespeicher dazu ausgenutzt werden soll, um durch Gefrieren die Schmelzwärme zu speiehern. Da das Eis beim weiteren Abkühlen sich ausdehnt, wird der im Wasser befindliche Wärmetauscher ebenfalls gedehnt. Um die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe auch in Bezug auf den im Behälter enthaltenen Wärmetauscher zu lösen, ist vorgesehen, daß das Rohrsystem zum Abführen der im Wasser gespeicherten Wärme in einem Abstand von der Innenwandung des Behälters ang^eordnet und durch mindestens ein Rohr gebildet ist, das längs einer mäanderförmigen Linie gebogen ist, deren einander parallele Schenkel wesentlich länger sind als die sie verbin-

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denden Bogen. Das längs einer mäanderförmigen Linie gebogene Rohr kann elastisch so stark nachgiebig ausgeführt werden, daß es die durch das Ausdehnen des Eises bewirkten Bewegungen ohne Schaden ausführen kann.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung von in den anliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Axialschnitt eines

zylindrischen Behälters für Wasser als Latentwarmespeichermasse;

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Behälters für Wasser als Latentwarmespeichermasse.

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Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Behälter 101 für Wasser als Latentwärmespeichermasse ist in bekannter Weise zylindrisch ausgebildet und besteht aus einem wärmeleitenden Material, z.B. aus Stahl ,Aluminium, Kupfer, Kunststoff ,Beton od. dgl..

Im Beät 101 sind zwei voneinander getrennte Wärmetauscher-Rohrsysteme vorgesehen, die durch je ein Rohr 102 und 103 gebildet sind. Jedes dieser beiden Rohre ist längs einer mäanderförmigen Linie gebogen, deren einander parallele Schenkel wesentlich länger sind als die sie verbindenden Bogen, so daß jedes der beiden Rohre 102 und 103 eine Folge von zur Längsachse des Behälters 101 parallelen Rohrschenkeln 104 und diese verbindende Bogen 105 bildet, wobei die einander parallelen Rohrschenkel 104 wesentlich länger sind als die Bogen 105. Die beiden Enden 106 bzw. 107 der beiden Rohre 102 und 103 sind in der Mitte des Behälters nach oben in einen Schacht 108 herausgeführt. Durch diese Führung der Rohre wird ein elastisch sehr nachgiebiges Rohrsystem geschaffen, das bei Verformungen auch gegenüber seinen aus dem Behälter herausgeführten Enden 106 und 107 symmetrisch und demnach an beiden Seiten der Mitte des Behälters in gleichem Maße elastisch nachgiebig ist. Innerhalb des Behälters ist jedes der beiden Rohre 102 und 103 außerdem so gebogen, daß ihre Achsen längs je einer zur zylindrischen Wand des Behälters 101 koaxialen zylindrischen Fläche mit zur Zylinderachse parallelen Rohrschenkein 104 verläuft. Hierbei ist der Durchmesser der die Lage des Rohres 102 bestimmenden gedachten zylindrischen Fläche kleiner als die entsprechende zylindrische Fläche des Rohres 103, so daß das durch das Rohr gebildete Rohrsystem innerhalb eines Raumes verläuft, der von dem durch das Rohr 102 gebildeten Rohrsystem umfaßt ist.

Damit sich die Rohre 102 und 103 infolge der langen Rohrschenkel 104 nicht durch ihr eigenes Gewicht verbiegen, sind die zu beiden Seiten der vertikalen Mittellängsebene 109 liegenden Rohrschenkel 104 in halbkreisförmigen

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Haltern 111 und 112 gehalten. Diese beiden Halter 111 und 112 sind an ihren oberen Enden durch ein Gelenk 113 schwenkbar miteinander und durch einen Gelenkträger 114 mit der Wand des Behälters.101 verbunden. Dadurch werden die Rohre von den Haltern getragen und das Rohrsystem kann sich trotzdem bei Gefrieren des innerhalb des von den Rohren umfaßten Raumes befindlichen Wassers ausdehnen. An den unteren freien Enden der Halter 111 und 112 sind als Leitbleche ausgebildete Führungen 115 vorgesehen, durch die sichergestellt ist, daß die beiden freien Enden sich bei der Dehnung des von den Rohren umfaßten Eiskerns voneinander weg bewegen können und auch beim Auftauen desselben durch das Eigengewicht wieder zusammenstoßen.

Die tiefste Stelle des Behälters 101 ist an seinen beiden Enden durch je ein Verbindungsrohr 116 mit der höchsten Stelle des Behälters verbunden, das sich außerhalb und in einem Abstand vom Behälter 101 erstreckt und dadurch vom Innenraum desselben wärmeisoliert ist. Da beim Gefrieren des im Behälter enthaltenen Wassers der Behälter 101 platzen müßte, darf er nicht ganz mit Wasser gefüllt werden. Durch die Verbindungsrohre 116 wird nun erreicht, daß der über dem Wasserspiegel liegende Raum einen Überlaufraum für das bei der Eisbildung aus dem Behälter nach unten verdrängte Wasser bildet.

Dadurch, daß das durch das Rohr 102 gebildete Rohrsystem sich im Inneren des Behälters 101 befindet, wird erreicht, daß das Wasser im Inneren des Behälters zu frieren beginnt, wenn das Rohr 102 mit dem Expansionsteil einer Wärmepumpe verbunden wird. Dies wird noch dadurch gefördert, daß das vom Rohr 103 gebildete zweite Rorsystem das vom Rohr 102 gebildete erste Rohrsystem allseitig umfaßt. Wird nämlich das zweite Rohrsystem mit einem Wärmeabsorber, z.B. einem Dachwärmeabsorber, verbunden, dann wird

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das Wasser außerhalb des Behälter kernes wärmer gehalten und dadurch das Gefrieren an der Behälterwand verhindert. Dieses Gefrieren des Wassers im Behälter 101 von einem inneren Kern her hat den Vorteil, daß die Behälterwand durch das gefrierende Eis überhaupt nicht mechanisch beansprucht wird. Wenn sich jedoch bei fortschreitender Eisbildung auf der Oberfläche des Wassers eine Eisschicht bildet, dann wird durch die durch die Eisbildung bewirkte Volumenvergrößerung des Wassers dieses durch die Verbindungsrohre 116 in den oberen wasserfreien Raum verdrängt, der dadurch einen überlaufraum bildet. Das durch die Verbindungsrohre 116 auf die Oberfläche des Eises fließende verdrängte Wasser kann nun auch gefrieren. Bei entsprechender Füllung des Behälters kann hierbei erreicht werden, daß das gesamte Volumen des Behälters von Eis gefüllt ist, so daß dadurch eine optimale Ausnutzung der latenten Wärme des Wassers erreicht wird. Die Rohrschenkel 104 können bei dem vom Kern ausgehenden Gefrieren des Wassers die dadurch bedingte Bewegung durch die schwenkbare Aufhängung mittels der Halter 111 und 112 ohne weiteres mitmachen/ so daß ein Bruch oder eine Beschädigung der Rohre nicht befürchtet werden muß.

Damit dann, wenn der ganze Behälter 101 mit Eis gefüllt ist, durch die.bei einer weiteren Abkühlung eintretende Volumenvergrößerung des Eises der Behälter 101 nicht aufgerissen wird, können Temperaturwächter vorgesehen sein, durch die die Wärmepumpe und damit eine weitere Kühlung des Behälters 101 abgeschaltet werden können, bevor der gefährliche Zustand erreicht wird.

In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Behälters 201 dargestellt. Dieser zweite Behälter unterscheidet sich von dem Behälter in Fig. 1 lediglich dadurch, daß hier an einem Ende ein vom Behälter-Innenraum durch

vertikale
eine/Wand 202 wärmeisolierter Überlaufraum 203 vorgesehen

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ist, der alt dem unteren Teil des Innenrauaes des Behälters 201 durch ein Verbindungsrohr 204 verbunden ist, das sich in seiner ganzen Länge innerhalb des überlauf- raumes 203 erstreckt und dadurch vom Innenraum des Behäl ters 201 durch die Hand 202 wärmeisoliert ist. Dieses Verbindungerohr 204 ist nach dem Verlassen des Behälters 201 bis Ober den im Behälter vorgesehenen Wasserspiegel, im dargestellten Fall bis über die obere Scheitellinie des Behälters, hinausgeführt und dann zum Boden des überlaufraumes 203 nach unten geführt. Der Innenraum des Behälters 201 ist luftdicht nach außen abgeschlossen. Im übrigen ist der Innenraum des Behälters 201 in der gleichen Weise wie bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel mit den durch die Rohre 102 und 103 gebildeten Rohrsystemen versehen.

Gegenüber dem Behälter 101 hat der Behälter 201 den Vorteil, daß hier das volle Volumen des Behälters 201 für das Wasser ausgenutzt werden kann. Man benötigt allerdings dann den überlaufraum 203, an den jedoch nicht die gleichen Forderungen hinsichtlich der Festigkeit gestellt werden müssen, wie an den Behälter 201. Außerdem kann der überlaufraura 203 auch getrennt vom Behälter 201 über oder unter diesem angeordnet sein.

Beim Gefrieren des Wassers im Behälter 201 wird Wasser aus dem Behälter durch das Verbindungsrohr 204 in den Überlaufraum 203 verdrängt. Beim Schmelzen des Wassers wird durch das sich dadurch im Behälter 201 bildende Vakuum das Wasser aus dem Überlaufraum 203 wieder in den Behälter 201 zurückgesaugt. Der überlaufraum 203 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel m-it einem Entlüftungsrohr 205 versehen, damit die im Oberlaufraum 203 enthaltene Luft beim Überlaufen des Wassers aus dem Be-

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halter 201 entweichen kann. Dies Entlüftungerohr 205 ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, wenn der überlaufraum 2O3 genügend groß ausgebildet wird und die in ihn-, enthaltene Luft dann beim Oberlaufen des Hassers zusanaengedrückt wird. Dieser Luftdruck im Oberlaufraun 203 dient dann gleichfalls beim Auftauen des Elses la Behälter 201 zur Rückführung des Hassers aus dea Oberlauf raum 203 in den Behälter 201.

Bei beiden dargestellten Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 einerseits und der Fig. 3 andererseits dienen also die Verbindungsrohre 316 bzw. 204 dazu, daß das beim Gefrieren des Wassers im Behälter 101 bzw. 201 verdrängte Wasser in einen überlaufraum abfließen kann, der bei dem Behälter ^Ol durch den über dem Wasserspiegel liegenden Raum beim Behälter 201 durch den besonderen überlaufraum 203 gebildet ist. Dadurch, daß die Verbindungsrohre 116 und 204 in beiden Fällen von dem Innenraum der Behälter 101 und 201 wärmeisoliert sind, kann vermieden werden, daß das überfließende Wasser im Verbindungsrohr gefriert und dadurch dieses verstopft. Bei der Verwendung der Behälter 101 und 201 als Erdwärmeabsorber kann dies mit Sicherheit dadurch erreicht werden, daß die Behälter in einer frostsicheren Tiefe eingegraben werden.

Die im Vorstehenden beschriebenen zylindrischen Behälter 101 und sind für eine Lagerung mit vaagerechter Längsachse zur Bildung eines Erdwärmeabsorbers vorgesehen. Damit die Erdwärme in die Behälter eindringen kann, müssen die Behälterwände, wie oben ausgeführt, aus einem Material bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit nicht geringer ist als die des die Behälter umgebenden Erdreiches. Sollen die Behälter jedoch nur als Latentwärmespeicher verwendet werden, dann müssen ihre Wände wärmeisolierend ausgebildet sein.

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Claims

Patentansprüche

Behälter für Wasser als Latentwärmespeichermasse, gekennzeichnet durch einen überlaufraum (203), der mit dem unteren Teil des Behälterinnenraumes durch ein Verbindungsrohr (116, 204) verbunden ist, das vom Behälterinnenraum wärmeisoliert ist und einen Teil aufweist, der sich über den im Behälter (101, 201) vorgesehenen Wasserspiegel erhebt.
2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Überlaufraum ein beim Füllen des Behälters (101) mit Wasser freigehaltener oberer Teil des Innenraumes des Behälters vorgesehen ist und daß das Verbindungsrohr (116) sich außerhalb des Behälters erstreckt.
3. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als überlaufraum (203) ein vom Behälterinnenraum getrennter Raum vorhanden ist.
4. Behälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlaufraum (203) ein durch eine wärmeisolierende Wand (202) vom Innenraum des Behälters (201) abgeteilter Raum ist und daß das Verbindungsrohr (204) im Überlaufraum angeordnet ist und in den unteren Teil des Überlaufraumes mündet.
5. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem durch Endkappen abgeschlossenen zylindrischen Behälter (201) mit waagerechter Achse der überlaufraum (203) an einem Ende des Behälters durch eine im wesentlichen vertikale Wand (202) abgeteilt ist.

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6. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohrsystem zum Abführen der im Wasser gespeicherten Wärme durch mindestens ein Rohr (102, 103) gebildet ist, das längs einer mäanderförmigen Linie gebogen ist, deren einander parallele Schenkel wesentlich länger sind als die sie verbindenden Bogen.
7. Behälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden (106, 107) des Rohres etwa im Bereich der Mitte der langen Rohrschenkel (104) aus dem Behälter (101, 102) herausgeführt sind.
8. Behälter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem waagerechten zylindrischen Behälter (101, 201) die Achse des mäanderförmig gebogenen Rohres (102, 103) längs einer zur zylindrischen Wand des Behälters koaxialen zylindrischen Fläche mit zur Zylinderachse parallelen Rohrschenkein (104) verläuft.
9. Behälter nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Rohrsystem zum Zuführen von Wärme vorgesehen ist, das durch ein Rohr (103) gebildet ist, das wie das Rohr (102) des ersten Systems längs einer mäanderförmigen Linie gebogen ist und in einer gedachten Fläche verläuft, die, vorzugsweise als zur zylindrischen Fläche des ersten ItohrsystenB koaxiale zylindrische Fläche, das erste Rohrsystem umfaßt.
10. Behälter nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beiden Seiten einer vorzugsweise vertikalen, sich parallel zu den Rohrschenkein erstreckenden gedachten mittleren Ebene (109) liegenden Rohrschenkel (104) durch je mindestens einen Halter (111,

112) miteinander verbunden sind, die an ihren einen, vor-

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zugsweise an ihren oberen Enden, gelenkig miteinander und durch einen Gelenkträger (114) mit der Behälterwand verbunden sind.
11. eler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an den freien Enden der Halter (111, 112) Führungen (115) für eine Schwenkbewegung der Halter relativ zueinander vorhanden sind.

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