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Vorrichtung und Verfahren zur Gewinnung von
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destilliertem Wasser
BI.:St'jj#REiBUNG: Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gewinnung von destilliertem Wasser
oder Trinkwasser aus salzhaltigem oder verunreinigtem Wasser, insbesondere Meerwasser,
bestehend aus einem für Sonnenstrahlung, #insbesondere Wärmestrahlung durchlässigen
und vom salzhaltigen Wasser durchströmten Röhrensystem.
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Vorrichtungen zur Gewinnung von Trinkwasser aus salzhaltigem Wasser
mittels der Solarenergie sind bereits bekannt und gewinnen insbesondere in wasserarmen
und sonnenreichen Gebieten mehr und mehr an Bedeutung.
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Hierbei geht es nicht nur um die Gewinnung von Trinkwasser, sondern
auch um die Erzeugung von salzfreiem oder salzarmen Wasser für die Bewässung des
Bodens.
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Zur Zeit werden für die Trinkwassergewinnung aus salzhaltigem Wasser
i-olgei#de Systeme angewandt.
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Die Gewinnung des Trinkwassers über den Weg der Verdampfung.
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Der Anteil solcher Anlagen beträgt zur Zeit ca. 88% der Gesamtgewinnung.
Bei diesen bekannten Anlagen wird Salzwasser durch Erhitzung zum Verdampfen gebracht.
Der Dampf nimmt das Salz und andere Mineralien nicht auf und über einen Kondensator
kondensiert der Dampf wieder zu Wasser.
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Dieses bekannte System weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf.
So sind bei diesem System hohe Energie- und sehr hohe Material aufwendungen erforderlich.
Da Meerwasser aufgrund seiner Anreicherung mit Salzen, verschiedenen Mineralien
und Sauerstoff aggressiv gegenüber Metallen reagiert, dürfen nur sehr hochwertige
und damit teuere Metalle zum Einsatz kommen. Diese aber sind nur bedingt resistent
gegen Meerwasser.
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So kommt es in den Anlagen zu hohen Stillstandszeiten, und während
der Stillstandszein der Anlagen kommt es verstärkt zu sogenannten Stillstandskorrosionen,
deren Beseitigung mit hohen Kosten verbunden ist.
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Der Betrieb dieser Anlagen ist nur mit hochqualifizierten Mitarbeitern
möglich. Sie müssen in der Lage sein die pil Werte, Restgehalt an Sauerstoff, Kohlendioxid
und Schwefelwasserstoff genau einzuhalten, da andernfalls ein störungsfreier Lauf
der Anlage nicht möglich ist.
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Das Membranverfahren Hierbei kommt das Prinzip der umgekehrten Osmose,
auch Hyperriltration genannt, zur Anwendung. Dieses Verfahren ist seit 1952 bekannt.
Hierbei wird bei sehr hohen Drücken, welche höher als 25 bar sind, das salzhaltige
Wasser duch Membranen gepreßt.
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Obwohl der theoretische Wirkunsgrad solcher Anlagen sehr hoch ist,
mindern Membranen und die erforderlichen hohen Strömungsgeschwindigkeiten den Wirkungsgrad
dieser Anlagen entscheidend. Für die Erzeugung dieser hohen Drücke unterliegen die
Pumpen und die Leitungen hohen Werkstoffbelastungen durch das aggressive Meerwasser.
Das wiederum führt zu häufigen Unterbrechungen der Anlage und damit verbunden zu
hohen Stillstandskorrosionen.
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Das herkömmliche Solarverfahren.
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Solarenergie zur Trinkwassergewinnung aus salzhaltigem Wasser kommt
bereits zur Anwendung, jedoch handelt es sich hierbei nicht um eine direkte Umwandlung
der Sonnenenergie in Wärme des salzhaltigen Wassers.
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Vielmehr wird durch die Sonneneinstrahlung, zusätzlich unterstützt
durch Reflektoren, ein metallener Absorber im Brennpunkt der Reflek-Loren, erhitzt.
Diese hohe Wärmeenergie wird durch ein Wärmeträgermedium abgeführt und zum Verdampfer
gepumpt. Im Verdampfer erfolgt dann die Verdampfung des salzhaltigen Wasser.
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Diese Solaranlagen weisen die folgenden Nachteile auf: In der Absorberumluft
tritt eine hohe W<:irmekonvektion auf, wodurch große Energiemengen der Atmosphäre
als Verlustenergie zugeführt werden.
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Bei zunehmender Windstärke nimmt somit die Wärmeleistung ab und bei
einer Windstärke, welche etwa bei 5 Beaufort liegt, ist keine Energiegewinnung mehr
möglich, da die Wärmekonvektion zu hoch ist.
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E#n weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die Reflektoren sehr
leicht verstauben. Sie haben bereits nach einem Tag nach der Reinigung stark geminderte
Refiexionswerte. Eine ständige und sorgfältige Reinigung der Reflektoren ist somit
erforderlich. Mit der Reinigung verbunden ist auch eine immer wieder auftretende
Beschädigung der Reflektoren.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung
anzugeben, mit deren Hilfe die Erzeugung von Trinkwasser oder destilliertem unter
der direkten Sonnenenergieumwandlung in Wärme in wirtschaftlicher Weise erreicht
wird, wobei die Vorrichtung nahezu wartungsfrei arbeitet und mit Ausnahme der erforderlichen
Pumpen keine Elemente aufweist, die einem Verschleiß unterliegen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß
das Röhrensystem mindestens ein Sonnenstrahlen-Kollektorrohr und ein koaxial dazu
angeordnetes, das salzhaltige Wasser führende Sonnenstrahlen-Absorberrohr aufweist,
wobei das Kollektorrohr auf seiner Strahleneinfallsseite die Strahlung im Absorberrohr
sammelnde Mittel und auf der der Strahleneinfallsseite abgewandten Rohrseite die
Strahlung reflektierende und im Absorberrohr sammelnde Mittel aufweist, wobei sich
im Absorberrohr die Strahlung absorbierende, im salzhaltigen Wasser unlösliche und
schwimm- oder schwebfähige schwarze Partikel befinden In Weiterbildung der Erfindung
weist das Kollektorrohr auf der der Strahleneinfallsseite abgewandten Rohrseite
eine die Strahlung reflektierende Beschichtung auf, so daß die gesamte einfallende
Strahlung zur Wärmeerzeugung verwendet wird.
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Um die einfallende Strahlung auf das Absorberrohr zu konzentrieren
ist in vorteilhafter Weise das Kollektorrohr auf der der Strahleneinfallsseite abgewandten
Rohrseite mit einem parabolischen Querschnitt ausgebildet.
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Zur Erhöhung des Wirkungsgrades weist das Kollektorrohr auf seiner
Strahleneinfallsseite die Strahlung im Absorberrohr sammelnde Mittel auf und ist
in vorteilhafter Weise auf seiner Strahloneinfallsseite als Zylinder-Sammellinse
ausgebildet.
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Zur Umwandlung der einfallenden Strahlung in Wärme sind nach der Erfindung
schwarze Partikel vorgesehen, welche sich ständig im Kreislauf der Anlage befinden.
Hierzu weisen die sich im Kollektorrohr befindenden, die Strahlung absorbierenden,
im salzhaltigen Wasser unlöslichen und schwimm- oder schwebfähige schwarzen Partikel
magnetische Eigenschaften auf oder bestehen aus einem magnetisierbaren Werkstoff.
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Die schwarzen Partikel bestehen vorzugsweise aus eirtem anorganischen
Stoff oder aus Kunststoff.
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Nach der Erfindung sind die Absorberrohre an einem Ende mit einem
Sammler strömungsmäßig verbunden, der über einen Kühler und Kondensator zu einem
Sammelgefäß führt und an dem anderen Ende sind diese zur Zuführung des salzhaltigen
Wassers mit einem Verteiler und zur Abführung des Konzentrats mit einem Abflußsammler
verbunden, wobei der Abflußsammler zur Ausnutzung der Schwerkraftwirkung unterhalb
des Verteilers angeordnet ist.
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Ferner ist nach der Erfindung der Abflußsammler über eine mechanische
oder magnetische Trennvorrichtung und eine Pumpe zur Rückführung der schwarzen Partikel
mit dem Verteiler strömungsmäßig verbunden ist.
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Zur Vorwärmung des salzhaltigen Wassers und Abkühlung des Kondensats
ist der Kondensator als Wärmetauschersystem ausgebildet.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei
zeigen: FIGUR 1 die schematische Darstellung eines Absorber- und eines Kollektorrohres;
FIGUR 2 die schematische Darstellung eines Absorber- und eines Kollektorrohres mit
einem Verteiler- und Sammlerrohr; FIGUR 3 die schematische Darstellung des oberen
Teiles eines Absorber-und eines Kollektorrohres mit einem Anschlußstück zum Sammlerrohr;
FIGUR 4 die schematische Darstellung eines Halteelementes; FIGUR 5 die schematische
Darstellung der gesamten Vorrichtung in Seitenansicht, und FIGUR 6 die schematische
Darstellung der gesamten Vorrichtung in Form eines Strömungsbildes mit schematischer
Darstellung der einzelnen Tanks, Ventile, Pumpen und Leitungen.
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Die Figur 1 zeigt das Absorberrohr 1, das von einem größeren Rohr
2, dem Reflektorrohr umgeben ist. Dieses Reflektorrohr 2 besteht aus durchsichtigem,
UV-Licht-beständigem Material und ist, um die einfallenden Sonnenstrahlen auf dem
Absorber reflektieren zu können, auf der der Sonnenseite abgewandten Rohrhälfte
3 innenverspiegelt. Das Absorberrohr 1 befindet sich in der Mitte des Reflektorrohres
2.
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Die Figur 2 zeigt die Prinzipdarsterlung des Absorbersystems. Durch
das Verteilerrohr 4 wird das mit schwarzen Partikeln anorganischer oder organischer
Stoffe angereicherte salzhaltige Wasser geleitet. Durch die Bohrung 5 strömt dieses
Wasser mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit und fließt in das Absorberrohr 1 und
gelangt ebenfalls in das Abflußsammelrohr 6.
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Die Füllstandshöhe in dem Absorberrohr 1 wird durch eine nicht näher
dargestellte Regelung gesteuert. Das Reflektorrohr 2 sitzt auf einem unteren Führungssteller
7, auf dessen, dem Reflektor zugewandte Fläche ein Ring aus Dichtungsmasse 8 für
die Auflage des Reflektorrohres aufgebracht ist. Der untere Führungssteller 7 sitzt
beweglich auf das untere Führungsrohr 9, welches mit einer Halsmuffe 10 versehen
ist.
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Diese Halsmuffe dient als Widerlager für eine Druckfeder 11. Aufgabe
dieser Druckfeder ist der Längenausgleich für die Materialausdehnung und der Erzeugung
eines Gegendruckes zum feste Halt des Reflektorrohres 2.
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Zwischen dem Absorberrohr 1 und dem Führungsrohr 9 ist ein flexibles
Dichtungsmaterial 12 eingefügt. Dieses Dichtungsmaterial sorgt für den luftdichten
Abschluß zwischen Absorber und Führúngsrohr, es muß jedoch Materialausdehnungen
flexibel aufnehmen können.
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Beim Verdampfen des salzhaltigen Wassers steigt der Dampf im Absorber
auf und strömt über ein Sammelrohr 22 zum Kondensator 26.
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Die stark salzhaltige Sole sinkt aufgrund ihres spezifischen Gewichtes
nach unten ab und sammelt sich im Ablfußsammelrohr 6. Mit Hilfe einer Absaugpumpe
37 wird diese Sole soweit abgesaugt, daß ein kontinuierliches Arbeiten des Systems
gewährleistet wird. Die dabei auftretende Absenkung der Füllstandshöhe im Absorber
beeinflußt den kontinuierlichen Verdampfungsvorgang nur unwesentlich.
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Die Figur 3 zeigt das obere Teilstück des Absorberrohres 1 und des
Reflektorrohres 2 mit seiner gesamten Befestigung.
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Das Reflektorrohr 2 wird durch den oberen Führungsteller 13 abgeschlossen
und geführt. Eine Dichtungsmasse 14 übernimmt die gleiche Aufgabe wie beim unteren
Führungsteller. Durch den Druck der Druckfeder 11 wird der obere lührungsteller
13 gegen eine Führungsschiene 15 gedrückt und in dieser Position gehalten.
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Diese Isührungsschiene, hier in Seitenansicht dargestellt, nimmt das
obere Führungsrohr 16 auf und ist in eine Ausfräsung der Führungsschiene gepreßt
und weist somit einen festen Sitz auf.
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Zwischen dem oberen Ende des Führungsrohres 16 und dem Absorberrohr
1 ist auch hier ein flexibles Dichtungsmaterial 17 eingefügt und nimmt die gleiche
Aufgabe wahr wie im unteren Führungsrohr.
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Das Absorberrohr 1 ragt aus dem oberen Führungsrohr 16 heraus. Dies
dient dem leichten Auswechseln des Absorberrohres bei Wartungsarbeiten.
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Auf dem Ende des oberen Führungsrohres wird ein hochtemperaturbeständiger
Schlauch 18 befestigt, der den Dampf über das Sammelrohr 22 zum Kondensator 26 leitet.
Der Schlauch ist hinter der Befestigung am Führungsrohr geringfügig aufgebaucht,
um mechanische Druckbelastungen auf den Absorber zu vermeiden.
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Die Figur 4 zeigt ein Teilstück der Führungsschiene in der Vorderansicht
mit ihrer Ausfräsung zur Aufnahme des oberen Führungsrohres 16.
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Die Öffnung 19 ist geringfügig verengt, um für das obere Führungsrohr
einen Preßsitz zu bilden.
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Die Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung des Verdampfersystems
in Seitenansicht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Wärmeisolation der zu-
und abführenden Rohre mit den dazugehörigen Zu- und Ableitungen zu den Absorberröhren
nicht näher dargestellt.
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Die Höhe der Stützpfeiler 20 und 21 wird den örtlichen Gegebenheiten
angepaßt.
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Bei ausreichender Höhe kann der unter dem Verdampfungssystem liegende
Boden landwirtschaftlich genutzt werden, da für tropische Länder die Schattenbildung
durch das Verdampfersystem einen nutzbringenden Nebeneffekt hat. Das Sammelrohr
für den abzuführenden Dampf ist mit 22 bezeichnet
Die Figur 6 zeigt
die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der gesamten Vorrichtung.
Über die Pumpe 23 wird das salzhaitige Wasser angesaugt und über einen Wärmetauscher
24 geleitet und wird durch Düsen 25 auf den Kondensator 26 gesprüht. Solange noch
kein Dampf aus den Absorberröhren 1 in den Kondensator strömt, fließt das salzhaltige
Wasser ohne Erwärmung in das Becken 27. Aus dem Becken fließt das Wasser durch Pumpkraft
oder bei entsprechender Höhenanordung des Beckens durch die Schwerkraft in die Leitung
28 und über das Ventil 29 in das Verteilerrohr 4 und in die Absorberröhren 1.
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Durch die Dosieranlage 30 wird die erforderliche Menge schwarzer Partikel
aus Kunststoff oder aus anorganischen Stoffen dem Salzwasser beigefügt, um die auftreffende
Sonnenstrahlung zu absorbieren.
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Hierdurch erwärmen sich die Partikel und geben ihre Wärme durch Wärmeleitung
unmittelbar an das Salzwasser ab, welches hierdurch auf seine Verdampfungstemperatur
gebracht wird und verdampft. Der so entstehende Dampf strömt durch das Sammelrohr
22 zum Kondensator 26 und erwärmt dabei das aus den Düsen 25 strömende Salzwasser.
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Durch die Vorwärmung des Salzwassers wird der im Wasser enthaltene
Sauerstoff weitestgehend entzogen. Dieser Entgasungsvorgang mindert die Aggressivität
des Salzwassers gegen Metalle.
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Ein Teil des auf dem Kondensator auftreffenden Salzwassers verdunstet,
steigt auf und schlägt sich an dem Wärmetauscher 24 nieder und kondensiert zu Wasser.
Durch die bauliche Ausführung des Wärmetauschers fließt das kondensierte Wasser
nach unten zum niedrigsten Punkt des Wärmetauschers ab. Hier tropft es in die Auffangrinne
31 und wird durch eine Rohrleitung 52 zur Trinkwasseraufbereitung abgeführt.
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Der in dem Kondensator 26 zu Wasser kondensierte Dampf wird zu einem
Zwischenspeicher 32 weitergeleitet.
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Der Zwischenspeicher 32 hat folgende Aufgaben: 1. I.r sammelt das
kondensierte Wasser für eine kurze Zeit. Aus diesem Grunde ist der Zwischenspeicher
nur in einer geringen Größe ausgelegt.
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2. Der Zwischenspeicher hat ferner die Aufgabe für einen Unterdruck
im Absorbersystem zu sorgen.
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Das geschieht auf folgende Weise: Die im Zwischenspeicher ansteigende
Wassersäule drückt die im Speicher befindliche Luft über das Ventil 33 hinaus. Zusätzlich
sorgt die Sonneneinstrahlung auf den Speicher für eine weitere Erwärmung der Innenluft
im Speicher. Die stärkste Erwärmung wird auf der Abdeckung 34 erfolgen, deren Wirkung
noch durch eine schwarzbeschichtete, das Sonnenlicht stark absorbierende Auftragung,
erhöht wird. Um Wärmeabstrahlverluste in die Atmosphäre weitestgehend zu vermeiden,
wird über die Abdeckung 34 eine Wärmedämmung aus einem durchsichtigen UV-beständigem
Material 35 montiert.
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Die durch die Abdeckung zusätzlich erhitzte innenluft des Speichers
strömt durch das Ventil 33 ab.
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Bei max. Wasserstand im Speicher wird das Wasser durch die Pumpe 36
abgesaugt und der Trinkwasseraufbereitung zugeführt.
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Die beim Verdampfungsvorgang im Absorber sich bildende Sole sinkt
nach unten in das Rohr 6 ab und wird von der Pumpe 37 abgesaugt.
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Ist zur Absorption der Sonnenstrahlung ein magnetisierbarer Stoff
eingesetzt worden, wobei die einzelnen Partikel dieses Stoffes nur eine vernachlässigbar
geringe Remanenz haben dürfen, werden die Partikel mit Hilfe einer Magnettrommel
38 aus der Sole extrahiert.
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Die Sole fließt dann über eine Rinne 39 ab und die magnetisierbaren
Partikel werden durch Entmagnetisieren der Trommel und einem Schaber 40 von der
Trommel entfernt.
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Kommen statt einem magnetisierbaren Stoff andere anorganische oder
Kunststoffe zum Einsatz, so wird zur Wiedergewinnung dieses Stoffes die Sole statt
über eine Magnettrommel in ein Ruhebecken geleitet. Im Zustand der ruhenden Sole
sondern sich die hinzugefügten Stoffe von der Sole ab. Diese Stoffe können dann
abgesaugt und wie die magnetisierbaren Stoffe über den Rückfluß 41 wieder in den
Kreislauf geschickt werden.
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- L e e r s e i t e -