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Ölserstäubungsbrenner
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Die Erfindung betrifft einen Ölzerstäubungsbrenner mit einer elektrischen
Zündvorrichtung, die ein im Bereich vor der Austrittesöffnung einer Düse des Brenners
angeordnetes Zündelement aufweist.
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Bei den seit Jahrzehnten bekannten Brennern der genannten Art, die
insbesondere als Hochdruckzerstäubungsbrenner ausgebildet sind, befinden sich in
dichtem Abstand vor der Austrittsöffnung der Ölzerstäubungedüse zwei Hochspannungselektroden,
die von der Sekundärseite eines Zndtransformators, nämlich eines Hochspannungstransformators,
gespeist werden, dessen Primärseite mit Netzspannung zu speisen ist, also im allgemeinen
mit 220 Volt Wechselspannung. Der Zündtransformator, der bei Brennern üblicher Größe
für eine Leistungsaufnahme aus dem Netz von etwa 270 W ausgebildet ist, ist entsprechend
dieser Leistungsaufnahme verhältnismäßig groß und aufwendig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner der eingangs
geschilderten Art so auszubilden, daß es prinzipiell möglich ist, einen Zündtransformator
geringerer Leistungsaufnahme, der kleiner ist als der bekannte Zündtransformator
und der somit weniger Aufwand erfordert und billiger ist, zu verwenden.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Brenner der eingangs geschilderten
Art dadurch gelöst, daß das Zündelement ein Heizleiter ist.
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Die Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik überraschende
Vorteile auf. Sie ermöglicht es, wie auch bei einer Ausführungsform der Erfindung
vorgesehen, einen Niederspannungstransformator zu verwenden, der gegeniiber einem
Hochspannungstransformator schon deswegen einfacher herstellbar ist, weil die aufwendigen
Isolationsmaßnahmen, die die Hochspannung erfordert, nicht nötig sind. Weiter kann
der Niederspannungstransformator für eine gegenüber dem bekannten Hochspannungstransformator
erheblich niedrigere Leistungsaufnahme
bemessen werden und erfordert
daher einen erheblich kleineren Eisenkern. Es wurde nämlich erkannt, daß ein erheblicher
Teil der vom Hochspannungstransformator aufgenommenen Leistung zur Deckung der ohmschen
Verluste der Sekundärwicklung benötigt wird. Dies hängt damit zusammen, daß zum
Überspringen des Zündfunkens eine Hochspannung von etwa 10000 V benötigt wird, die
nach dem Überspringen des Zündfunkens auf etwa 1000 V bis 1500 V zusammenbricht,
so daß 85% bis 90% der Gesamtleistung als Verlust in der Sekundärwicklung verloren
gehen. Die an der Zündstrecke verbleibende reine Zündleistung ergibt sich dabei
zu etwa 20 W bis 30 W. Demgegenüber kann der Niederspannungstransformator sekundärseitig
ohne großen Aufwand so ausgebildet werden, daß in der Sekundärwicklung ein nur unwesentlicher
Leistungsverlust beim Betrieb auftritt, so daß der Wirkungsgrad des Niederspannungstransforators
gegenüber dem Hochspannungstransformator erheblich gesteigert werden kann.
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Es hat sich gezeigt, daß ein einfaches Ersetzen der Hochspannungszündstrecke
des bekanten Brenners durch einen Heizleiter, im einfachsten Fall durch einen Glühdraht
an derjenigen Stelle, an der sich die Zündfunkenstrecke befindet, nur unter großen
Schwierigkeiten zu einer Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe führt.
Falls derartige vom Erfinder angestelle Versuche von anderer Seite bereits früher
unternommen worden sein sollten, erklärt sich auch aus dem Scheitern dieser Versuche
die Tatsache, daß seit Jahrzehnten unverändert die Hochspannungszündung verwendet
wird. Der Erfinder hat erkannt, daß das Versagen eines einfachen Ersatzes der Hochspannungsfunkenstrecke
durch einen Heizleiter darauf zurückzuführen ist, daß sich die Funkenstrecke im
Ölnebelstrahl, der die Düse verläßt,
befindet, so daß durch das
Öl und durch die Wirkung einer Luftströmung, die durch ein im allgemeinen vorhandenes
Gebläse im Bereich er Öldüse erzeugt wird, der Heizleiter so stark abgekühlt wird,
daß eine Zündung des Ölnebels die Zufuhr einer derart großen elektrischen Leistung
zum Heizleiter erfordern würde, daß hierdurch kein oder wenigstens kein wesentlicher
Vorteil gegenüber dem Stand der Technik erzielt würde. Die Erfindung hat weiter
erkannt, daß jedoch eine zuverlässige Zündung des Ölnebeis dann möglich ist, wenn
sich gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Glühzone des Heizleiters außerhalb
des Zentrums, vorzugsweise radial außerhalb des Zentrums des Flammbereichs befindet,
also in einem Gebiet, in dem der Ölnebel weniger dicht ist und sich ein gut zündfähiges
Nebel-Luftgemisch ausgebildet hat.
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Besonders vorteilhaft erscheint eine Ausführungsform der Erfindung,
bei der sich die Glühzone im Grenzbereich deEi Flammbereichs befindet, wodurch einerseits
durch die Olnebeltröpfchen und andererseits durch den an dieser Stelle weniger heftigen
Luftstrom, der durch das Gebläse hervorgerufen wird, der Heizleiter weniger stark
abgekühlt wird.
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Dabei muß berücksichtigt werden, daß bei der Erfindung ein Wärmeabfluß
aus der Glühzone durch die elektrischen Zuleitungen und durch evtl. vorhandene nicht
glühende Bereiche des Heizleiters erfolgt, wobei auch diese nicht zur Glühzone gehörenden
Bereiche Wärmeenergie an den Ölnebel und den Luftstrahl des Gebläses abführen können.
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Die Zündvorrichtung des erfindungsgemäßen Brenners ist nicht vergleichbar
mit dem Zünden des Öl-Luftgemisches in einem Dieselmotor mittels einer Glühkerze
beim Start des Motors.
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Es wird nämlich beim Dieselmotor das Öl-Luftgemisch durch die Kompression
im Zylinder so stark vorverdichtet, daß eine erhebliche Aufheizung erfolgt, so daß
nur noch eine relativ geringe zusätzliche Heizleistung der Glühkerze zum Zünden
erforderlich ist. Auch besteht im Zylinder des Dieselmotors keine dem Gebläsewind
des Brenners vergleichbare Luftströmung, die die Zündung erschweren könnte.
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Bei der letztgenannten Ausführungsform, die auch beim später beschriebenen
Ausführungsbeispiel verwirklicht ist, wird für den reinen Zündvorgang eine Leistung
des Heizleiters von etwa 30 bis 40 W-benötigt. Die dem Heizleiter zugeführte Leistung
muß zur Kompensation der durch den Geblasewind abgeführten und zum Ziinden des Ölnebels
nicht zur Verfügung stehenden Wärmeenergie darüber hinaus noch eine zusatzliche
Heizleiterleistung von etwa 10 bis 40 W zugeführt werden.
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Trotz dieser etwas höheren dem Ziindelement zugeführten Leistung kann
dabei der Zündtransformator wegen seines besseren Wirkungsgrads wesentlich kleiner
ausgebildet werden als der bekannte Hochspannungstranformator mit dessen oben genannten
schlechten Wirkungsgrad.
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Wenn der Brenner eine Stauscheibe aufweist, kann sich gemn ß einer
Ausführungsform der Erfindung die Glühzone des Heizleiters im Bereich hinter der
Stauscheibe, also im Bereich derjenigen Seite der Stauscheibe, die der Düse abgewandt
ist, befinden. Hier kann die Gliihzone des Heizleiters besonders einfach an einer
stelle positioniert werden, an der sich beim Starten des Brenners ein leicht zündbaren
nlnebel ausbildet.
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Dabei kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung der Heizleiter
durch eine zentrische Aussparung der Stauscheibe hindurchgeführt sein, wobei sich
die Halterungen für den Heizleiter im Bereich vor der Stauscheibe befinden. Gemaß
einer Weiterbildung der Erfindung kann dabei der Heizleiter im wesentlichen U-förmig
gebogen sein.
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Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das U etwa auf
seiner halben Lange aus seiner Ebene heraus abgebogen, und zwar in der Weise, daß
das Joch des U, das das Zentrum der Glühzone bildet, radial (relativ zu der Längsachse
der Düse) weiter außen liegt als der radial am weitesten innen liegende Teil des
Heizleiters.
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Anstatt den Heizleiter durch eine im allgemeinen zentrische Aussparung
der Stauscheibe hindurchzuführen, kann der Heizleiter gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung auch durch einen Zwischenraum zwischen der Stauscheibe und einem Flammrohr
des Brenners hindurchverlaufen derart, daß sich die Glühzone an der gewünschten
Stelle befindet.
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Bei einem in der geschilderten Weise U-förmig gebogenen Heizleiter
befindet sich das Zentrum der Glühzone, durch den Wärmeabfluß über die Schenkel
des Heizleiters bedingt, im allgemeinen am Joch des U.
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Als Heizleiter kommt an sich jedes Material in Frage, das eine Temperatur
von etwa 1100°C bis 1400"C mit einer ausreichenden Standzeit aushält. Für eine gute
Handhabung bei Montage und Wartung und aus Gründen der Stabilität
wird
es als vorteilhaft angesehen, wenn der Heizleiter oder ein Träger, auf dem er aufgebracht
ist, mechanisch ausreichend stabil ist. Es ist vorstellbar, d:tß ein Heizleiter
Verwendung findet, der einen so hohen spezifischen Widerstand hat, daß er bei einer
Dimensionierung f"ir unmittelbaren Netzanschluß an 220 V mechanisch so stabil ist,
insbesondere einen so großen Querschnitt aufweist, daß unerwartete Ausfälle nicht
zu befürchten sind. In diesem Falle ware nicht einmal ein Zündtransformator erforderlich.
Nach dem derzeitigen Kenntnisstand ist jedoch eine Ausführungsform der Erfindung
leichter zu realisieren, bei der der Heizleiter so dimensioniert ist, daß er mit
einem relativ hohen Strom relativ niedriger Spannung (wenige Volt) beaufschlagt
wird. Es erscheint auch möglich, den Heizleiter stattdessen für eine Betriebsspannung
von etwa 50 V auszulegen.
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Vorteilhaft wird ein Niederspannungstransformator verwendet, der mit
seiner Primärwicklung vorteilhaft an die Netzspannung von z.B. 220 V angepaßt ist.
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Als Material für einen metallischen Heizleiter hat sich insbesondere
die unter dem Namen Hoskins 145 von der Hoskins Manufacturing Company in Detroit/USA
gelieferte Legierung erwiesen. Bei dieser Legierung handelt es sich um eine Cr-Fe-Al-Legierung.
Diese Legierung enthält folgende Komponenten: 22,5 % Cr, 5,5 ß Al, 0,5 ß Si, 0,1
ffi C, 71,4 % Pe.
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Der Niederspannungstransformator muß die Zündleistung aufbringen und
zusätzlich die vom Gebl-asewind und dem ()strahl abgeführte Wärmeenergie kompensieren.
Letztere Wärmeenergie ist nun je nach Brennergröße, Dusengröße und Stärke des Gebläsewinds
verschieden. Um diese Unterschiede
beherrschen zu können, wird
vorzugsweise die Primärwicklung mit Anzapfungen versehen, mit denen die je nach
Brennergroße usw. erforderliche Sekundärleistung eingestellt werden kann.
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Die Anzapfungen können an einen Stufenschalter gelegt sein.
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Auch ist es denkbar, daß für jeden Brennertyp ein spezieller Transformator
bereitgestellt wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung, die erfindungswesentliche
Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln
für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Ausführungsform der
Erfindung verwirklicht sein. Es zeigen Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt,
durch den vorderen Teil (Brennerkopf) eines Brenners mit Düse, Flammrohr und Heizleiter,
Fig. 2 eine Ansicht, teilweise geschnitten und teilweise abgebrochen dargestellt,
entsprechend der Linie II-II in Fig. 1, zusammen mit einer schematischen Darstellung
der Stromversorgung für den Heizleiter, Fig. 3 eine von der Darstellung der Fig.
1 und 2 abweichende Ausführungsform eines austauschbaren Heizleiterelementes.
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Der in Fig. 1 sichtbare vordere Teil eines Kochdrucknlbrenners weist
eine Öldüse auf, die nachfolgend als Düse 1 bezeichnet ist, die in bekannter Weise
in ein Düsenrohr 2 eingeschraubt ist. Die Längsachse der Diise bildet eine
Symmetrieachse
für wesentliche Teile der Brenneranordnung.
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Auf dem Düsenrohr 2 ist eine Abstützung 3 gelagert, die elektrische
Zuleitungen 4 und 5 elektrisch isoliert hält, an deren vorderem Ende jeweils eine
Steckverbindung 6 angeordnet ist, in der das Heizleiterelement 15 mechanisch befestigt
und elektrisch angeschlossen wird. Vor der Düse 1 ist eine bekannte Stauscheibe
8 angeordnet, und die ganze Anordnung ist durch ein Flammrohr-10 umgeben, das vom
äußeren Rand der Stauscheibe einen Abstand aufweist. Das Heizleiterelement 15 weist
zwei als Zuleitung zum Heizleiter 16 dienende winkelförmige starke Drähte 18 auf,
die mit ihrem einen Ende jeweils in eine Steckverbindung 6 eingeschoben sind und
an derem anderen Ende mittels einer Hartlötung der U-förmig gebogene Heizleiter
16 befestigt ist. Der Heizleiter 16 ist dabei aus der Ebene des U etwa um einen
Winkel von 70O abgebogen, wie die Ansicht der Fig. 1 zeigt, so daß sich das Joch
20 des U radial weiter außen befindet als die übrigen Teile des Heizleiters 16.
In Pig. 1 ist der Flammbereich 25 des Brenners durch eine gestrichelte Linie skizziert.
Das Joch 20 des Hei«!leiters befindet sich dicht an der äußeren Begrenzung dieses
Flammbereichs 25. Der Flammbereich ist durch die verwendete Düse, die Stauscheibe,
das Flammrohr und durch die Betriebsbedingungen, nämlich die Menge des pro Zeiteinheit
durch die Diise geförderten Heizöls und durch die Strömungsgeschwindigkeit des von
einem nicht dargestellten Gebläse gelieferten Luftstroms vorgegeben.
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In Fig. 2 ist dargestellt, daß die beiden Leitungen 4 und 5 über eine
Verbindungsleitung 30 mit den Anschliissen der Sekundärwicklung 32 eines Transformators
33 verbunden sind,
dessen Primärwicklung 34, die mit mehreren Anzapfungen
35 bis 40 versehen ist, über ein Steuergerät 78 mit dem elektrischen Netz 42, das
220 V Wechselspannung liefert, verbund den ist. Auch am Ausgang des Steuergeräts
38 liegt diese Netzspannung an. Die Anzapfungen 75 bis 40 dienen dazu, die sekundärseitig
gelieferte Spannung des Transformators, die bei Stromentnahme durch den Heizleiter
16 etwa 1 bis 2 V beträgt, geignet zu wählen. Die Glühzone des Heizleiters, die
sich im Bereich des Jochs 20 befindet, soll nämlich einerseits unabhängig von Netzspannungsschwankungen
von beispielsweise + 10% immer eine ausreichend hohe Temperatur für einen sicheren
Zündvorgang aufweisen, andererseits soll diese Temperatur nicht zu hoch sein, um
die Lebensdauer des Heizleiters nicht unnötig zu verkürzen. Im Beispiel erreicht
der Heizleiter 20 in Abhängigkeit von den soeben geschilderten Netzspannungsschwankungen
Temperaturen zwischen 1100°C und 1400"C.
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Während in Fig. 1 und 2 die Drähte 18, die Kupferdrähte mit 5 mm Durchmesser
sind, in ihrer gegenseitigen Lage nur durch die Steckverbindungen 6 gehalten sind,
so daß der Einbau des Heizleiters mit einer gewissen Vorsicht erfolgen muß, damit
der Heizleiter 16 nicht beschädigt wird, ist bei der Ausführungsform eines Heizleiterelementes
gemäß Fig. 3 ein Sockel 50 vorgesehen, der die auch hier mit dem Bezugszeichen 18
versehenen abgewinkelten Drähte 18 des Heizleiters 16 in einem vorbestimmten Abstand
und drehfest isoliert halt, so daß dieses Halbleiterelement 60, das anstatt des
in Fig. 1 und 2 gezeigten Halbleiterelementes in den Steckverbindungen 6 befestigt
werden kann, leicht gehandhabt werden kann und die Gefahr einer Beschädigung gering
ist.
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Da der Sockel 50 weder hohen elektrischen Spannungen noch hohen Temperaturen
ausgesetzt ist, weil nämlich die Flamme den Bereich, in dem er sich im eingebauten
Zustand befindet, nicht erreicht und der Sockel 50 zusätzlich noch durch den Luftstrom
des Gebläses gekühlt wird, kann für den Sockel 50 nahezu beliebiges Isolationsmaterial
verwendet werden, beispielsweise auch Hartpapier oder ein geeigneter Kunststoff.
Es muß allerdings beachtet werden, daß die Drähte 18 im Bereich der Sockel höhere
Temperaturen von z.B. 300°C annehmen können.
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Im Beispiel besteht der Sockel 50 jedoch größtenteils aus einem Metall,
nämlich Stahlblech, in dessen Endbereich in Bohrungen Isolationshülsen 65 eingesetzt
sind.
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Der Heizleiter 16 besteht aus einem Draht aus der obengenannten Legierung
mit 1 mm Durchmesser. Die gestreckte Länge beträgt 25 mm. Der Abstand der Schenkel
des U beträgt 5 mm.
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Die Betriebsspannung während des Glühens ist 1,5 Volt, der Strom beträgt
dabei etwa 30 Ampere. Der Transformator 33 hat eine Leistung von etwa 60 VA. Er
enthält einen Eisenkern M55 (Kurzzeitbetrieb) und hat ein Gewicht von 0,7 kg. Der
Transformator ist so bemessen, daß er beim Aufheizen des Heizleiters weit entfernt
von einem Kurzschlußbetrieb arbeitet. Bei dem nur teilweise gezeigten Brenner handelt
es sich um den Typ DF 4 (Fa. CUENOD) mit einem Durchsatz von 3,5 kg/h leichtes Heizöl.
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Weitere Vorteile der Verwendbarkeit eines Niederspannungstransformators
beim Ausführungsbeispiel gegenüber einem Hochspannungstransformator beim Stand der
Technik liegt darin, daß für den Transformator normale Blechschnitte, beispielsweise
M-Kerne verwendet werden können, wogegen ein ochspannungstransformator Spezialschnitte
erfordert. Der Niederspannungstransformator erfordert auch keine aufwendige Hochspannungswicklung
mit der erforderlichen Isolation durch Papierzwischenlagen und Tränkung im Vakuum.
Eine Funkentstörung ist beim Niederspannungstransformator nicht erforderlich, und
seine Lebensdauer ist praktisch unbegrenzt. Die Isolation der zu dem Heizleiter
führenden Leitungen unterliegt keinen besonderen Vorschriften, da hier nur eine
sehr kleine Spannung wirksam ist.
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Das Steuergerät 38 steuert den Zündvorgang und ist identisch mit einem
in handelsüblichen nlbrennern mit Hochspannungszündung verwendeten Gerät. Das Steuergerät
38 ist so ausgebildet, daß es den Heizvorgang des Heizleiters vor Beginn der Ölzufuhr
startet. Diese Zeit ist entsprechend der iiblichen Vorzündzeit und Spülzeit, bei
der das Gebläse vor Einschalten der Ölzufuhr bereits arbeitet, gewahlt. Der Heizleiter
bei dem erfindungsgemäßen Brenner erreicht zwar nicht unmittelbar nach dem Einschalten
des Stroms die zum Zünden des Ölnebels erforderliche Temperatur, wie dies im Gegensatz
dazu bei der Hochspannungsziindung der Fall ist, jedoch stört diese zeitliche Verzögerung
wegen der soeben erwähnten Vorspülzeit nicht. Bei dem oben beschriebenen Heizleiter
mit den dort genannten Betriebsbedingungen betrug die erforderliche Aufheizzeit
weniger als 6 Sekunden.
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Statt der obengenannten Legierung fir den HeizLeiter, die Dauertemperaturen
von 13750C und kurzzeitig Temperaturen bis 1450°C zuläßt, können auch nichtmetallische
Heizleiter verwendet werden, hierzu kommen vor allen Dingen keramische Werkstoffe
wie Siliziumkarbid oder dergleichen in Prage.
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L e e r se lt e