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Sterilisierungsanlage für in Röhren unter Wärmeaustausch mit dem Heizmittel
geleitete Flüssigkeiten, insbesondere Milch Verschiedene Versuche mit Anlagen zur
ununterbrochenen Erhitzung von strömenden Flüssigkeiten durch Wärmeaustausch mit
Dampf durch Rohrwandungen hindurch o. d-1. erweisen, daß der Wärmeaustausch zwischen
Dampf und Milch o. dgl. durch Rohrwandungen o. dgl. hindurch ein ungleichmäßiger
Vorgang ist. Der Wärmeaustausch geht weder gleichmäßig über die Rohrfläche verteilt
vor sich, noch bleibt er an den verschiedenen Stellen konstant. Es ist vielmehr
anzunehmen, daß der Wärmeübergang größtenteils in unregelmäßiger eise von einer
Stelle der Rohr%vandung zu einer anderen überspringt und an den verschiedenen Stellen
verschieden lange "Leiten anhält. An gewissen Stellen findet nur ein geringer Wärmeübergang
statt, während andere Stellen zeitweise übermäßig wärmeübertragend wirksam sind.
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Dieser ungleichmäßige Wärmeübergang hat natürlich eine entsprechende
ungleichn a Erhitzung der Milch o. dgl. zur r "ßige t' l# Folge, so
daß einige Milchteilchen überhitzt werden, wodurch Krustenbildung eintritt, während
andereTeilchen beträchtlich weniger oder hauptsächlich durch Mischung mit anderen
Milchteilchen beim Durchströmen erhitzt werden.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt hauptsächlich, einen gleichmäßigen
Wärmeaustausch in der höchsten Temperaturstufe bei Anlagen der vorbezeichneten Art
zu ermöglichen und dadurch wesentliche Vorteile in bezug auf die Oualitätsverbesserung
der in Frage kommenden Flüssigkeiten, insbesondere Milch, und die Verminderung der
Krustenbildung an den Rohrwandungen o. dgl. zu erzielen.
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Gemäß der Erfindung wird dieser Zweck dadurch erreicht, daß anstatt
Dampf ein flüssiges Heizmittel, insbesondere Druckwasser, zur Erhitzung der 'lilch
o. dgl. auf die gewünschte Höchsttemperatur verwendet wird.
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Die Erfindung besteht demnach hauptsächlich darin, daß die Anlage
mit einem Wassererhitzer oder Kessel verbunden wird, wobei der Kessel und die Erhitzungskammern
der Anlage, z. B. Mäntel, die das Milchrohrsystem umgeben, zusammen einen geschlossenen
Wasserkreislauf bilden, um zu ermöglichen, daß das Wasser mit einem höheren Druck
als dem, bei welchem bei der gewünschten Höchsttemperatur Dampf entwickelt wird,
ununterbrochen vorn Kessel durch die Erhitzungskamrnern oder Mäntel zirkuliert.
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Aus verschiedenen Gründen kann jedoch der Zusammenbau einer verhältnismäßig
großen Anzahl von Rohren in entsprechend großen Mänteln gemäß einem weiteren Teil
der
Erfindung vorteilhaft durch eine andere Bauart ersetzt werden, die die Möglichkeit
von Brüchen und das Ausströmen von über den Siedepunkt erhitztemWasser ausschließt,
ohne daß sehr starke Mäntel oder besondere äußere Sicherheitseinrichtungen nötig
sind.
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Entsprechend diesem weiteren Teil der Erfindung sind die Rohre der
Anlage zwischen eine verhältnismäßig große Anzahl kleiner Rohrsysteme verteilt,
deren jedes sich innerhalb seiner Mäntel befindet, wobei der Durchmesser der letzteren
entsprechend verkleinert ist, um nur eine verhältnismäßig kleine Wassermenge aufzunehmen
und mit Sicherheit den in Betracht kommenden höchsten Drucken zu widerstehen, selbst
im Falle verhältnismäßig dünner Wandungen.
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Wenn Milch oder andere nicht homogene Flüssigkeiten durch Röhrensysteme
geleitet ,werden, findet bekanntlich eine gewisse Homogenisierung durch Abreißen
der Flüssigkeitsteilchen infolge der plötzlichen Druckveränderungen an den Umkehrstellen
statt.
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Es ist erwiesen, daß diese Druckveränderungen von den Temperaturänderungen
abhängen, so daß eine Verringerung der Temperaturänderungen einer weitgehenden Verminderung
der Größe der Flüssigkeitsteilchen, z: B. der Fettkügelchen der Milch, entgegenwirkt.
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Die vorliegende Anwendung einer verhältnismäßig großen Anzahl verhältnismäßig
kleiner Rohrsysteme ermöglicht nun einen gleichmäßigeren Wärmeaustausch von einem
Rohrsystem zum anderen als in den bekannten Fällen von wenig und größeren Systemen.
Deshalb wird gemäß diesem Teil der Erfindung die homogenisierende Wirkung sich hauptsächlich
in der Bildung von Fettkügelchen mittlerer Größe zeigen. Dieses Kennzeichen ist
wesentlich im Hinblick auf Qualität und Haltbarkeit der sterilisierten @lilch o.
dgl., wenn sie für unmittelbaren Verbrauch bestimmt ist, ebenso von Butter o. dgl.,
die aus der Sahne von in dieser Weise sterilisierter Milch hergestellt ist.
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Die Erfindung bezweckt des weiteren, die zu erhitzende oder zu sterilisierende
Flüssigkeit, z. B. Milch, und das flüssige Heizmittel, z. B. Druckwasser, in der
Weise durchzuleiten, daß die Milch o. dgl. die Sterilisierungsvorrichtung mit einer
verhältnismäßig niedrigen Temperatur verläßt und das Wasser mit einer verhältnismäßig
hohen Temperatur zu dem obenerwähnten Erhitzer oder Kessel zurückkehrt.
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Dieser weitere Zweck wird in der Weise erreicht, daß das unter Druck
stehende Wasser, nachdem es die Milch in einem gewissen "feil der Anlage oder den
mittleren Teil auf die gewünschte Höchsttemperatur erhitzt hat, in einem anderen
Teil der Anlage oder im Vorwärmteil zur Einwirkung auf die bei verhältnismäßig niedriger
Temperatur, z. B. unter der gewöhnlichen Temperatur, in die Anlage frisch eingeführte
Milch gebracht wird. Infolgedessen wird die zum Mittelteil strömende frische Milch
vorgewärmt, während das Druckwasser abgekühlt wird, beispielsweise ungefähr auf
gewöhnliche Temperatur, worauf das so abgekühlte Druckwasser in einem dritten Teil
der Anlage oder dem Vorkühlungsteil die den erwähnten Mittelteil verlassende, nunmehr
heiße Milch abkühlt. Dadurch wird das Wasser bis beinahe auf die gewünschte Höchsttemperatur
der Milch wiedererhitzt, um mit dieser verhältnismäßig hohen Temperatur zum Wassererhitzer
oder Kessel' zurückzukehren.
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Versuche mit der vorliegenden Art der Erhitzung von Flüssigkeiten,
z. B. <Milch, unter Druck mittels Druckwassers anstatt Dampfes haben wesentliche
Vorteile in Bezug auf gleichbleibende hohe Qualität der Milch ergeben und zeigen
ferner, daß die Milchabsetzungen an den Rohrwandungen auf ein praktisch unbedeutendes
Maß herabgesetzt werden. Beispielsweise waren in einer Anlage, die mit Dampferhitzung
in der Höchsttemperaturstufe arbeitet, ungefähr 2o kg Absetzungen nach jedem Arbeitsgang
zu entfernen, während bei einer Anlage gleicher Größe, die aber nach vorliegender
Erfindung arbeitete, dort nur feste Reste von weniger als ioo g vorhanden waren.
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Die vornehmlich in der Höchsttemperaturstufe oder in dem oben als
Mittelteil bezeichneten Teil der Anlage sich zeigenden Vorteile sind auch in den
anderen Teilen der Anlage vorhanden. Dadurch, daß das Druckwasser aus dem Mittelteil
durch einen Milchvorwärmteil und ferner durch einen Milchvorkühlungsteil hindurchgeleitet
wird, kehrt es zum Kessel mit verhältnismäßig hoher Temperatur zurück, wie oben
dargelegt. Hierdurch wird der Wärmeverbrauch annähernd auf das theoretische Minimum
vermindert. Da ferner die Wasserkammern durch eine verhältnismäßig große Zahl kleiner
Mäntel o. dgl. gebildet werden, ist der Temperaturaustausch über die ganze Anlage
gleichmäßig. Dadurch wird der obenerwähnte günstige Verlauf des Homogenisierungsvorganges
sichergestellt, indem hauptsächlich Partikelchen mittlerer Größe gebildet werden
oder z. B: in süßer Milch die hochgeschätzte Bildung von Fettkügelchen mittlerer
Größe bewirkt wird.
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Zum vollen Verständnis der Erfindung ist auf der beiliegenden Zeichnung
-ein Ausführungsbeispiel dargestellt.
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Fig. i zeigt eine Anlage zur Behandlung
@-on Milch
in der Ausbildung gemäß der Erfindung mit geschlossenem Wasserkreislauf.
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Fig.2 zeigt in Ansicht und teilweise im Schnitt eine Gruppe der vorliegend
verwendeten kleinen llilclirohrsvsteme mit entsprechenden kleinen Wassermänteln,
die eine Einheit oder ein Element bilden.
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Fig. 3 und 4. zeigen die vorderen und hinteren Stirnseiten derselben.
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Fig. 5 ist ein Schema, das die Temperaturen des Wasserkreislaufs und
des Milchstromes in den verschiedenen Teilen der Anlage darstellt.
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In Fig. i ist ein -.\lilchvorratsbehälter 6 gezeigt, der unten mit
einer (nicht dargestellten) Pumpe versehen ist, beispielsweise einer solchen, die
gestattet, daß die in der Milch enthaltene Luft entweichen kann, wenn die Pumpe
arbeitet. Diese Pumpe drückt die Milch in ein Rohrsvstem oder eine Gruppe von Rohrsvsteinen
; , die durch Zickzacklinien angedeutet sind und durch eine Verbindung 8 mit einer
gleichen Rohrsvstenigruppe 9 kommunizieren. Von dieser läuft die Milch durch eine
Verbindung io in eine dritte Rolirsvstemgruppe i i und ferner durch eine Verbindung
12 in eine vierte Rolirsystemgruppe 13, dann durch eine Verbindung 1:1 in eine fünfte
Rohrsystemgruppe 15 und endlich durch eine Verbindung 16 in eine sechste Rohrsystemgruppe
17 und nach außen durch eine Leitung 18.
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Letztere kann mit einem Mehrweghahn i9 versehen sein, wodurch die
Milch, wenn notwendig, zum Vorratsbehälter 6 durch eine Leitung 20 zurückgeleitet
werden kann.
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Ferner ist ein Wassererhitzer oder Kessel 21 dargestellt, der bis
zu einer geeigneten Höhe Wasser enthält, das in geeigneter Weise erhitzt wird, z.
B. durch Einführung von Dampf aus einer Leitung 22. An der Wasseroberfläche befindet
sich ein Überlaufrohr 23 für das überschüssige kondensierte Wasser. Eine nicht dargestellte
Pumpe drückt das heiße Wasser durch eine Leitung -2d. in die Wasserkaininern oder
Mäntel III der Rohrsysteingruppe i i., die durch ein einfaches Rechteck angedeutet
sind und von wo das Wasser durch eine Verbindung 25 in die Wasserkammern oder MäntelII
der Rohrsy stemgruppe 9 eintritt und ferner durch eine Verbindung 26 in die Mäntel
I der 7.
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Von hier tritt das Druckwasser durch eine Verbindung -27 in die Mäntel
VI der Rohrsvsteingruppe 17 ein, ferner durch eine Verbindung 28 in die Mäntel V
der Rohrsystemgruppe 15 und endlich durch eine Verbindung _9 in die Mäntel IV der
Rohrsystemgruppe 13, um von dort durch eine Leitung 3o zum ;@ .lssererliitzer 21
zurückgeleitet zu werden. Die Verbindung 27, die das Druckwasser von den Mänteln
I zu den Mänteln VI leitet, kann <ienmach so angeordnet werden, daß das Pruckwasser
durch das obenerwähnte überschüssige kondensierte Wasser erhitzt wird, das durch
das erwähnte Überlaufrohr 23 ausfließt. Das überschüssige kondensierte Wasser kann
beispielsweise durch eine Kammer oder einen Mantel 31 geleitet werden, bevor es
bei 32 abgeleitet wird.
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Bei der oben beschriebenen Anlage nach Fig. i wird die Milch zuerst
in aufsteigender Richtung (oder waagerecht oder schräg in der einen Richtung) durch
die ganz rechts befindliche erste Gruppe 7 geführt, alsdann in der anderen Richtung,
z. B. nach unten, durch die zweite Gruppe 9, dann wieder aufwärts durch. die dritte
Gruppe i i usf., zum Schluß nach unten durch die sechste Gruppe 17. Anderseits tritt
das Druckwässer zuerst nach unten durch die Mäntel III, dann nach oben durch die
Mäntel 1I, ferner nach unten durch die Mäntel I und darauf nach oben durch die Mäntel
VI, nach unten durch die Mäntel V und zurück zum Erhitzer 21.
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Wie aus Fig. 2 bis d.. hervorgeht, besteht jedes Rohrsystem beispielsweise
aus sechs Rohren 33, die von einem Zylinder oder 1-lantel 3d. umschlossen und zu
dreien an jeder Seite einer Zwischenwand 35 angeordnet sind. - Die hinteren Rohrenden
sind in einer Platte 36 befestigt, mit welcher der Mantel 3.4 flüssigkeitsdicht,
aber beweglich verbunden ist, beispielsweise mittels eines geeigneten Dichtungsringes
37. Die Vorderenden aller Rohre 33 sind bei einer gewissen Anzahl von Rohrsystemen,
beispielsweise für fünf Rohrsysteme, in einer gemeinsamen Wand 38 in geeigneter
Weise flüssigkeitsdicht und fest verbunden.
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Die Platten 36 sind mit Auskehlungen 39 versehen, um die Rohre 33
wechselseitig einzeln oder paarweise oder zu dreien in leitende Verbindung zu bringen.
Die letztgenannte Art ist als Beispiel dargestellt.
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In der Außenseite der Wand 38 befinden sich Vertiefungen 4o zur leitenden
Verbindung der drei letzten Rohre der vorhergehenden Gruppe mit den drei nächstfolgenden
Rohren der folgenden Gruppe. In der Rückseite der Wand 38 befinden sich Vertiefungen
.Ir zur leitenden Verbindung zweier aufeinanderfolgender Mäntel. Die Zwischenwände
35 endigen mit einem gewissen Abstande von den Platten 36, so daß innerhalb des
Mantels ein U-förmiger Kanal gebildet wird, um zu gestatten, daß das Wasser an der
einen Seite jeder Zwischenwand in der einen Richtung längs den drei hier vorhandenen
Röhren strömt, von dort auf die
andere Seite der Zwischenwand übertritt,
sich in entgegengesetzter Richtung längs den hier vorhandenen drei Rohren bewegt
und durch die Vertiefung 41 hindurch in die erste Wasserkammer des folgenden Mantels
tritt (usf.) .
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Die entsprechenden Wasser- und Milchein-und -auslässe können an der
Vorderwand 38 angebracht sein. Dementsprechend zeigt Fig. 3 Milchein- und -auslässe
42. In gleicher Weise können Wasseraus- und -einlässe an der Vorderwand 38 nahe
den Ein- und Auslässen 42 angeordnet sein, oder die ersten und die letzten Mäntel
34 können Stutzen 43 für Wasserein- und -auslaß besitzen.
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Die Dichtungsringe 37 können mittels Bolzen 44 angezogen werden, die
durch die Ecken der Platten 36 und einen geeigneten Ring 45 hindurchgesteckt sind.
Die Vertiefungen oder Auskehlungen 39 sind j e von einem Deckel 46 überdeckt, während
die Vertiefungen 4o in der Vorderwand 38 von einem gemeinsamen Deckel .I7 abgedeckt
sein können.
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In einigen Fällen können die Zwischenwände 35 einen stern- oder kreuzförmigen
oder ähnlichen Querschnitt haben, um die Mäntel in drei, vier oder mehr Längsabteilungen
zu unterteilen, deren jede ein odermehrere Rohre enthält und die zusammen einen
ununterbrochenen Kanal bilden, durch den das Wasser wechselweise in entgegengesetzten
Richtungen hindurchtritt. Die ;wechselweise Verbindung dieser Abteilungen kann teilweise
oder gänzlich an den hinteren Enden stattfinden.
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Es ist nicht wesentlich, daß die Vorderwand 38 ein Stück bildet, während
die Platten 36 Teile für sich bilden. Je nach den Umständen können die Vorder- und
Rückwände der Elemente je ein Stück bilden oder geteilt sein. Ebenso ist die Unterteilung
der Mäntel durch Zwischenwände nicht wesentlich. Die Mäntel können auch ungeteilt
sein, so daß das Wasser nur in einer Richtung durch jeden Mantel fließt.
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Wie ersichtlich, ist die in Fig. i schematisch dargestellte Anlage
aus sechs Rohrgruppen hergestellt gedacht, deren jede ein Element nach Art der in
Fig. 2 bis 4 gezeigten bildet. Infolge der gedrängten Bauart und der dichten Aneinanderreihung
der Elemente ist die Anlage von geringen Ausmaßen und enthält eine vergleichsweise
kleine Wassermenge. Trotzdem sind die Totallängen der Milch- und Wasserwege vergleichsweise
groß.
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In Fig. 5 sind die Temperaturzu- und -abnahmen dargestellt, die innerhalb
der Anlage stattfinden. Der Wasserweg ist durch eine ausgezogene Linie und der Weg
der Milch durch eine strichpunktierte Linie angegeben. Die Bewegungsrichtungen sind
durch Pfeile angedeutet. Die Kurvenabschnitte entsprechen den verschiedenen Elementen,
die durch die oben angewendeten Bezugszeichen bezeichnet sind. Der gestrichelte
Teil. 27 der Wasserkurve gibt die obenerwähnte Erhitzung des Wassers durch
den Kondensatorüberschuß an, während der Teil 21 die Erhitzung im Wassererhitzer
darstellt. Im Erhitzungsteil der Anlage (7, 9, i i und I, II, III) sind die Wassertemperaturen
natürlich in jeder Stufe in gewissem Maße höher als die entsprechenden Milchtemperaturen,
während anderseits die Milchtemperaturen in dem Milchvorkühlungsteil der Anlage
(i7, 15, 13 und VI, V, IV) in jeder Stufe höher als die entsprechenden Wassertemperaturen
sind. Das Erhitzen des Wassers im Wassererhitzer, z. B. von der Temperaturgröße
t1° auf die Größe t13, entspricht in der Hauptsache der Totalerhitzung der Milch,
die in der Anlage stattfindet (oder z. B. von der Temperatur t° auf die Temperatur
t3).
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Die Erhitzung des Wassers durch den Kondenswasserüberschuß in der
Überlaufleitung 23 kann auch an einem anderen Teil des Wasserkreislaufs anstatt
an der Verbindung 27 erfolgen, z. B. an dem Rückkehrrohr 30.
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Die die Anlage bei i8 verlassende Milch kann beispielsweise unmittelbar
in Entrahmungszentrifugen geleitet oder weiterhin mittels kalten Wassers und Salzsole
in einem oder mehreren Elementen der vorliegenden Art oder in Kühlern anderer Art
gekühlt werden.
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Die dargestellten und beschriebenen Einzelheiten sind nur Beispiele
und können in verschiedener Weise abgeändert werden, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen.
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Zur Klarstellung der Unterschiede und Vorteile der beschriebenen Anlage
gegenüber bekannten ähnlichen Einrichtungen diene noch folgendes.
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Bei den eingangs erwähnten bekannten Einrichtungen werden in Trommeln
eingebaute Rohrsysteme mit regelbarer Dampfbeheizung verwendet. Die Regenerativwirkung
wird hierbei erreicht durch Vor- bzw. Nachschaltung einer mit einem geteilten Rohrsystem
versehenen Trommel, so daß durch die eine Rohrsystemhälfte 'die kalte Milch nach
dem Hocherhitzer, durch die andere Hälfte die heiße Milch aus dem Hocherhitzer geleitet
und durch in dieser Trommel zirkulierendes Wasser zum Wärmeaustausch gebracht wird.
Gewöhnlich sind zwei ' hintereinandergeschaltete Regenerativtrommeln
vorgesehen,
von denen die erste die kälteste und die zweite die heißeste Milch empfängt und
deren Wassermengen daher ungleich hohe :Mitteltemperaturen aufweisen, wobei in die
zweite Regenerativtrommel der in der Hocherhitzertrommel ständig gebildete Kondenswasserüberschuß
hineingeleitet, während aus der ersten Regenerativtrotmnel eine entsprechende Wassermenge
ständig abgeleitet wird. Bei einer solchen Einrichtung kommt der niedrigere Punkt
der Regenerationskurve verhältnismäßig hoch zu liegen. Einerseits entstehen lauwarme
Wassermengen, für die keine Verwertung möglich ist, anderseits sind für die Weiterkühlung
der aus dem Regenerativ fließenden Milch erhebliche Kaltwassermengen erforderlich.
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Einer Wärmeregeneration durch Ineinanderlegen oder dichten Zusammenbau
der kalten und warmen Milchleitungen und den Wärmeaustausch durch eine einzige gemeinsame
Wandung widerspricht die für die Durchführung des hier in Betracht kommenden Hocherhitzungsverfahrens
unerläßliche ausschließliche Verwendung von geraden, einfachen, an den beiden Enden
zugänglichen, stets innen als spiegelnd beobachtbaren Rohren für die Bildung des
ganzen Milchweges. Nur dadurch ist die gleichmäßig schnelle Bewegung absolut sämtlicher
Milchteile gesichert und ferner der Milchweg stets nur gegen die äußere Luft abzudichten.
Das Versagen irgendeiner Dichtung macht sich sofort geltend, und die Möglichkeit,
daß eine versagende Dichtung als Infektionsquelle wirkt, ist ausgeschlossen; denn
durch sämtliche Abdichtungen ist stets nur ein Heraustreten von Teilen des Milchstromes
selbst (hoher Überdruck), nie ein Hineintreten fremder 'Medien bei gewöhnlichem
Atmosphärendruck möglich. Sobald dagegen die Milchleitungsverbindungen gegen Milch,
Wasser o. dgl. statt gegen die äußere Luft abgedichtet werden müssen, treten sofort
Infektionsquellen auf.
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An diesem großen Mangel leiden z. B. sehr viele in der Praxis versuchten
Ausführungen von Rohrsystemen und auch die bekannte theoretisch einfache, in der
Praxis aber unverwendbare Regenerativspirale. Der unmittelbare Wärmeaustausch zwischen
der heißeren und der kälteren Milch setzt gegenseitige Abdichtung voraus, so daß
beim Versagen einer Abdichtung Keime aus der letzteren in die erstere eindringen.
Bei der vorliegenden Einrichtung wird daher grundsätzlich von dem unmittelbaren
Wärmeaustausch Abstand genommen und der Wärmeaustausch durch ein drittes Nlediurn,
das Wasser, bewirkt.
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Die vorliegende Einrichtung kennzeichnet sich also demgegenüber im
`wesentlichen dadurch, daß die Milcherhitzung durch Wasser auf die Höchsttemperaturstufe,
neben der bekannten indirekten Wärmeregeneration, <furch Einschaltung eines Hocherhitzers
in eine Druckwasserleitung ausgeführt wird, derart, daß die Rohrsysteme der zufließenden
kalten Milch in der Druckwasserableitung vom Hocherhitzer, die der abfließenden
heißen Milch in der Druckwasserspeiseleitung des Hocherhitzers neben einer besonderen
Druckwasserheißvorrichtung eingebaut sind. Ferner wird das Druckwasser aus dem Hocherhitzer
ausschließlich im Gegenstrom zu der zufließenden kalten Milch geleitet. Hierdurch
entsteht der -"\Iilchv orwärmelireis III, 1I, I. Die Speisung des Hocherhitzers
mit dem hocherhitzten Druckwasser erfolgt in einem weiteren Kreis VI, V, IV, wo
kaltes Druckwasser der heißen Milch aus dem Hocherhitzer entgegenströmt, um nach
der weiteren Erhitzung in 21 in den Hocherhitzer hineinzufließen, so daß die beiden
Kreise durch den Hocherhitzer zu einem Kreis vereinigt werden. Da das bei I abfließende
Druckwasser kalt ist und das bei VI eingeleitete Druckwasser kalt sein muß, werden
die beiden Kreise zweckmäßig auch hier vereinigt, wie die Punktierung 2; der Abb.
5 veranschaulicht, so daß die ganze Druckwasserleitung einen geschlossenen Kreis
bildet.