CH658999A5 - Vorrichtung zum einengen einer verduennten loesung. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einengen einer verdünnten Lösimg, mit deren Hilfe Konzentrate mit einem hohen thermischen Wirkungsgrad hergestellt werden können. Ziel der Erfindung ist ferner, eine Vorrichtung zum Einengen von verdünnten Lösungen, vorzugsweise unter Verwendung einer Niedertemperatur-Wärmequelle, zu schaffen, so dass kein Kochen oder Verdampfen im Vakuum notwendig ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Einengen einer verdünnten Lösung anzugeben, die einen einfachen Aufbau hat und nicht druckbeständig zu sein braucht.
Die Lösung der sich daraus ergebenden Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale aus dem Patentanspruch 1 definiert. Abwandlungen davon ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 10.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1A eine Querschnittsdarstellung, die die Grundausführungsform der Erfindung erläutert;
Fig. 1B eine Darstellung, die das Prinzip der Mehrstufen-Einengung mit Zwischenplatten erläutert;
Fig. 2A u. 2B Querschnittsdarstellungen, welche eine mehrstufige Einengungsvorrichtung gemäss einer Ausfüh-5 rungsform der Erfindung mit Zwischenplatten erläutern;
Fig. 3A u. 3B Querschnittsdarstellungen, die andere Ausführungsformen der Erfindung erläutern;
Fig. 3C eine Querschnitsdarstellung, die eine weitere Ausführungsform ähnlich der in Fig. 3B gezeigten, erläutert; io Fig. 4 bis 8 Querschnittsdarstellungen von für die erfin-dungsgemässe Vorrichtung geeignete wärmeaufnehmende Platten;
Fig. 9A eine fragmentarische perspektivische Ansicht, die eine wärmeaufnehmende Platte einer anderen Gestalt erläu-15 tert;
Fig. 9B ein Schnitt entlang der Linie A—A in Fig. 9A;
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, welche eine Ausführungsform erläutert, die wärmeaufnehmende Platten des in Fig. 4 gezeigten Typs umfasst; und 20 Fig. 11 bis 13 Querschnittsdarstellungen, die jeweils eine Einrichtung zum getrennten Abziehen des Konzentrats und des Kondensats für die Verwendung in der erfindungsgemäs-sen Vorrichtung erläutern.
Die erfindungsgemässe Einengungsvorrichtung eignet 25 sich zum Einengen von verdünnten wässrigen Lösungen von Salzen, wie z.B. Alkalimetallhalogeniden, wie Lithiumjodid und Natriumchlorid, und Erdalkalimetallhalogeniden, wie Calciumchlorid und Magnesiumchlorid. Die Vorrichtung eignet sich auch für andere wässrige Lösungen und Lösun-30 gen von organischen Lösungsmitteln.
Die zu verwendende Wärmequelle unterliegt keinen Beschränkungen; es kann sich beispielsweise um irgendeine natürliche Wärmequelle, wie z.B. um geothermische Wärme, um die Wärme einer heissen Quelle und um Sonnenwärme 35 sowie um die Abwärme aus Anlagen handeln. Obgleich bereits ein annehmbarer Einengungs-Wirkungsgrad erzielt werden kann, wenn die Wärmequelle eine Temperatur von mindestens etwa 40 °C aufweist, ist es in der Regel bevorzugt, eine Wärmequelle mit einer Temperatur von etwa 40 100 °C zu verwenden.
Die bei der Erfindung zur Anwendung gelangenden, wärmeaufnehmenden, nachstehend auch als dünne Platten bezeichneten Bauteile haben die Funktion, die Erwärmung und Kondensation herbeizuführen und sie weisen eine hohe Wär-45 meleitfahigkeit auf. Die dünnen Platten bestehen aus einem Material, das gegen Korrosion durch die einzuengende Lösung beständig ist. Für die Verwendung von wässrigen Lösungen von Metallhalogeniden sind Beispiele für brauchbare Materialien korrosionsbeständiger rostfreier Stahl, Titan so und Monelmetalle. Verwendbar sind auch Platten bzw. Folien oder Filme aus wärmebeständigen Kunststoffen, wie Polypropylen, Fluor enthaltendem Harz und Nylon. Die Dicke der dünnen Platten beträgt, obgleich sie mit dem Material variiert, vorzugsweise etwa 0,1 bis etwa 10 mm.
ss Zum Einengen von wässrigen Lösungen bestehen die Absorptionsschichten aus organischen oder anorganischen Materialien in Form eines Dochtes, der Wassr in zufriedenstellender Weise absorbieren kann, wie z.B. Stoff (Tuch), Filz, Schwamm, Polyvinylformalfasern, Nylonfasern, Cellulosefa-60 sern, Kohlefasern, Asbest, Glaswolle, faserförmiges Material aus rostfreiem Stahl, Graphit enthaltendes Urethan, Kunststoffschäume und dgl. Die Absorptionsschicht wird hergestellt durch Befestigen eines Belages bzw. einer Folie eines solchen Materials an der dünnen Platte. Die Schicht kann 65 auch hergestellt werden durch Beflocken der dünnen Platte mit kurzen Fasern aus diesem Material. Zum Einengen von organischen Lösungsmitteln sind als Absorptionsschichten solche aus den oben genannten Materialien verwendbar, die
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von diesen Lösungen nicht angegriffen werden. Vorzugsweise haben die Absorptionsschichten (absorbierenden Schichten) eine Dicke von etwa 0,1 bis età 10 mm.
In der erfindungsgemässen Vorrichtung wird eine verdünnte Lösung in dem Zwischenraum zwischen den dünnen Platten bei verschiedenen Temperaturen unter Anwendung des Zyklus: Erhitzen -> Verdampfen (Absorption von Wärme) -» Wärmeübertragung durch den Dampf -> Kondensation (Freisetzung von Wärme) eingeengt.
Die Einengungsvorrichtung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die in Fig. 1A dargestellte grundlegende Aus-führungsform näher beschrieben. Zum besseren Verständnis der Erfindung wird die Vorrichtung nachstehend anhand des Falles beschrieben, bei dem eine wässrige Lösung als einzuengende bzw. zu konzentrierende Lösung verwendet wird. Die einzuengende bzw. zu konzentrierende Lösung ist demnach eine verdünnte wässrige Lösung und das Kondensat ist Wasser. Von den beiden Oberflächen jeder dünnen Platte wird die einèr Wärmequelle gegenüberliegende Oberfläche nachstehend als «Front» bezeichnet.
Die die verdünnte Lösung absorbierende Schicht, (welcher die einzuengende Lösung zugeführt wird), ist stets auf der rückwärtigen (hinteren) Oberfläche der dünnen Platte angeordnet und diese wird nachstehend durch den Buchstaben S mit einer Beifügung bezeichnet. Die das Kondensat absorbierende Schicht befindet sich stets auf der vorderen Oberfläche jeder dünnen Platte, die von der Wärme aufnehmenden Platte verschieden ist, und wird nachstehend durch den Buchstaben W mit einer Beifügung bezeichnet.
In der Fig. 1A ist oberhalb der dargestellten Vorrichtung eine Wärmequelle HS angeordnet. Dementsprechend ist in der Nähe der Wärmequelle eine dünne Platte EO angeordnet, die als Wärme aufnehmende Platte dient. An einer Stelle mit einer niedrigeren Temperatur ist eine dünne Platte El angeordnet, die als Kondensationsplatte dient. Die beiden dünnen Platten EO und El sind an ihren Randabschnitten durch Wärmeisoliereinrichtungen 1, welche die Seitenwände bilden, miteinander verbunden, so dass eine Verdampfungs-Kondensations-Kammer entsteht.
Die dünnen Platten EO und El sind an ihren gegenüberliegenden Endabschnitten zu einem V-förmigen Querschnitt gefaltet, unter Ausbildung der Rinnen CO, DO bzw. C1, D1. Die Rinnen Cl wird verwendet für die einzuengende verdünnte Lösung und die Rinne Dl wird verwendet für das resultierende Konzentrat. Jede der dünnen Platten ist in einem Abschnitt derselben zwischen den einander gegenüberliegenden Rinne und näher bei der Konzentratrinne in einem stumpfen Winkel gekrümmt unter Ausbildung eines zacken-förmig gekrümmten Abschnittes LI für das Kondensat. Die dünnen Platten EO und El sind so angeordnet, dass die Lösungsrinne Cl höher liegt als die Konzentratrinne Dl.
Eine an der hinteren Oberfläche der Wärme aufnehmenden dünnen Platte EO befestigte, die verdünnte Lösung absorbierende Schicht S erstreckt sich von dem untersten Bodenabschnitt der Rinne CO der dünnen Platte EO zu dem untersten Bodenabschnitt der Rinne DO der Platte EO. Eine an der Frontfläche der dünnen Kondensationsplatte El befestigte, das Kondensat absorbierende Schicht W erstreckt sich von dem Randabschnitt der Rinne Cl zu dem Randabschnitt der Rinne Dl.
Im Innern sind die absorbierenden Schichten S und W in einem Abstand 1 einander gegenüberliegend angeordnet, umgeben von den dünnen Platten EO und El und den Wärmeisoliereinrichtungen 1. Der Abstand 1 beträgt in der Regel etwa 1 bis etwa 50 mm, obgleich er in Abhängigkeit von der Art der einzuengenden Lösung, der Temperatur der Wärmequelle und vielen anderen Faktoren variiert. Der Abstand 1 ist die Strecke, durch welche der aus der verdünnten Lösung verdampfende Dampf wandert, bevor er nach der Abtrennung von dem gelösten Material kondensiert. Je kürzer die Strecke ist, um so niedriger ist der auftretende Widerstand und um so höher ist der Einengungswirkungsgrad. Bei der Vorrichtung handelt es sich um eine Grenzkonstruktion, in welcher der Abstand 1 minimal sein kann.
Die einzuengende verdünnte Lösung wird durch eine Rohrleitung P der Rinne Cl zugeführt, imprägniert die absorbierende Schicht S und fliesst entlang der Neigung der dünnen Platte EO nach unten in Richtung auf den gekrümmten Abschnitt LO. Während sie so fliesst, wird die Lösung durch die dünne Platte EO erhitzt, die ihrerseits durch die Wärmequelle erhitzt wird, und sie wird durch das Verdampfen von Wasser eingeengt. Nach dem Hinunterfliessen zu dem gekrümmten Abschnitt LO fliesst das Konzentrat vorübergehend nach oben und dann erneut nach unten entlang der Neigung der Rinne DO. Beim Erreichen des Endes des Bodens der Rinne DO tropft das Konzentrat in die darunter befindliche Rinne Dl. Das in der Rinne Dl gesammelte Konzentrat wird durch eine Rohrleitung oder eine ähnliche Einrichtung aus der Vorrichtung ausgetragen.
Der gebildete Wasserdampf kondensiert beim Kontakt mit der absorbierenden Schicht W. Das von der Schicht W absorbierte Kondensat fliesst die Neigung der dünnen Platte El nach unten, sammelt sich in dem gekrümmten Abschnitt LI und wird durch einen Auslass F aufgrund der Kapillarwirkung oder nach dem Siphon-Prinzip ausgetragen.
Die Wärme der Wärmequelle kann wirksam ausgenutzt werden, wenn auf der Frontoberfläche der Wärme aufnehmenden dünnen Platte EO ein Film für die selektive Absorption der Wärme vorgesehen wird.
Die dünne Kondensationsplatte El kann auf der hinteren Oberfläche derselben mit einer Flüssigkeitsabsorptions-schicht versehen sein zum Hindurchleiten von Wasser oder einer ähnlichen Kühlflüssigkeit, um die Platte El zu kühlen. Alternativ kann die Kondensationsplatte El bespielsweise mit Luft gekühlt werden.
Ein verbesserter Einengungswirkungsgrad kann erzielt werden bei Anwendung eines Mehrstufenaufbaus, der Ver-dampfungs-Kondensations-Kammern in Schichten umfasst. Eine derartige Mehrstufen-Einengungsvorrichtung umfasst mindestens eine dünne Zwischenplatte, die zwischen einer dünnen Wärme aufnehmenden Platte und einer dünnen Kondensationsplatte angeordnet ist. Die dünne Zwischenplatte weist auf einer oder auf jeder ihrer einander gegenüberliegenden Oberflächen eine Flüssigkeitsabsorptions-schicht auf und ist im Abstand von den Absorptionsschichten der benachbarten dünnen Platten angeordnet.
In diesem Falle wird eine verdünnte Lösung zwischen den dünnen Platten verschiedener Temperaturen unter Anwendung des folgenden Zyklus eingeengt: Erhitzen -» Verdampfen (Absorption von Wärme) -» Wärmeübertragung durch den Dampf -» Kondensation (Freisetzung von Wärme) -» Wärmeübertragung durch die dünne Platte -» Verdampfung (Absorption von Wärme)...
Dieser Zyklus wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1B näher erläutert, in welcher die Strecke der Wärmeübertragung durch T mit einer Beifügung dargestellt ist und der Wanderungsweg des Dampfes durch 1 mit einer Beifügung bezeichnet wird.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch charakterisiert, dass die Wärmeübertragungsabstände TI bis Tn — 1 und die Wanderungswege des Dampfes 11 bis In sich dem Wert 0 nähern gelassen werden, um eine Verdampfung und Kondensation, d.h. eine Absorption und Freisetzung von Wärme, alternierend in Stufen herbeizuführen.
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Dieser Stufenvorgang setzt sich im Idealzustand unendlich fort, wobei kein Wärmeverlust auftritt, bei der praktischen Durchführung jedoch eine allmähliche Abschwächung auftritt. Der Idealzustand kann daher so simuliert werden, dass ein erhöhter Wärmewirkungsgrad erhalten wird, wenn die Wärmeübertragungsstrecke T und der Wanderungsweg des Dampfes 1 bei dieser Ausführungsform der Erfindung sich dem Wert 0 nähern gelassen werden.
Die Wärme Q wird durch eine Anordnung von dünnen Platten EO bis En übertragen von einer Seite derselben, die der Wärmequelle näher sind, auf die andere Seite. Das Einengungssystem zwischen der dünnen Platte EO mit einer die verdünnte Lösung absorbierenden Schicht SO und der dünnen Platte El mit einer das Kondensat absorbierenden Schicht W1 und einer die Lösung absorbierenden Schicht S1 ist das gleiche wie das bereits in Bezug auf die Fig. 1A beschriebene System.
Die an die absorbierende Schicht W1 abgegebene Wärme wird über die Strecke Tl, die im wesentlichen gleich der Dik-ke der dünnen Platte El ist, auf die absorbierende Schicht S1 übertragen, um die Lösung in der absorbierenden Schicht S1 zu erwärmen und zu verdampfen. Anschlissend wird die Wärme durch das gleiche System, wie es in Bezug auf die Fig. 1A beschrieben worden ist, auf die dünne Platte E2 übertragen.
Auf diese Weise wird die Wärme nacheinander von Platte zu Platte in Stufen übertragen und schliesslich wird sie durch die dünne Platte En von der Vorrichtung freigesetzt.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann das Konzentrat aus jeder Stufe unabhängig abgezogen werden oder das aus einer Stufe resultierende Konzentrat kann nacheinander in die nächste Stufe eingeführt werden, um die Einengung zu verbessern.
Nachstehend werden weitere Ausführungsformen der Vorrichtung der Erfindung unter Bezugnahme auf weitere Zeichnungen näher beschrieben, ohne dass jedoch die Erfindung auf diese Ausführungsformen beschränkt ist.
Die Fig. 2A und 2B sind Querschnittsansichten, die in schematischer Form einen Typ von Ausführungsformen der Erfindung erläutern.
Die in Fig. 2A dargestellte Ausführungsform entspricht der in Fig. 1B dargestellten Ausführungsform mit eingeführten vier dünnen Zwischenplatten El—E4. Die dünnen Platten sind gegenüber einer horizontalen Ebene geneigt.
Die dünnen Platten EO bis E5 sind an jedem ihrer entgegengesetzten Endabschnitte zu einem V-förmigen Querschnitt gefaltet unter Bildung der Rinnen CO bis C5 zur Zuführung der einzuengenden verdünnten Lösung und der Rinnen DO bis D5 zum Abziehen des resultierenden Konzentrats. An einer Stelle zwischen den einander gegenüberliegenden Rinnen und näher bei den Rinnen DO bis D5 für das Konzentrat sind die dünnen Platten unter einem stumpfen Winkel gekrümmt unter Bildung von zackenförmig ausgebogenen Vertiefungen LO bis L5 für das Kondensat. Die dünnen Platten EO bis E5 sind so angeordnet, dass die Rinnen CO bis C5 für die Lösung höher liegen als die Rinnen DO bis D5 für das Konzentrat.
Alle dünnen Platten EO bis E4 mit Ausnahme der untersten Platte E5 sind auf den hinteren Oberflächen (den unteren Oberflächen in der Fig. 2A) derselben mit eine verdünnte Lösung absorbierenden Schichten SO bis S4 versehen, die sich von den Bodenenden der Rinnen CO bis C4 bis zu den Bodenenden der Rinnen DO bis D4 erstrecken. Die das Kondensat absorbierenden Schichten W1 bis W5, die an den Frontoberflächen (den oberen Oberflächen in Fig. 2A) der dünnen Platten El bis E5 mit Ausnahme der obersten Platte EO befestigt sind, erstrecken sich von den Rändern der Rinnen CI bis C5 bis zu den Rändern der Rinnen Dl bis D5.
Die dünnen Platten EO bis E5 sind in Schichten angeordnet, mit dazwischen angeordneten, umgebenden Wärmeisoliereinrichtungen, um einen Kontakt zwiswchen den benachbarten absorbierenden Schichten zu vermeiden.
Die einzuengende verdünnte Lösung wird durch die Rohrleitungen PI bis P5 jeweils den Rinnen CI bis C5 zugeführt. Die den Rinnen CI bis C5 zugeführte Lösung imprägniert die absorbierenden Schichten SO bis S4. Die Lösung, mit der die absorbierende Schicht SO imprägniert worden ist, strömt die Neigung der dünnen Platte EO nach unten in Richtung auf den gekrümmten Abschnitt LO. Während sie fliesst, wird die Lösung durch die Platte EO erhitzt, die ihrerseits durch die Wärmequelle beheizt wird, und sie wird durch Verdampfen des Wassers eingeengt. In entsprechender Weise wird die von den absorbierenden Schichten SI bis S4 absorbierte Lösung durch die gegenüber den dünnen Zwischenplatten El bis E4 freigesetzte latente Kondensationswärme erhitzt und beim Verdampfen des Wassers eingeengt. Nach dem Abfallen zu den gekrümmten Abschnitten steigt das Konzentrat vorübergehend an und fällt dann erneut entlang der Neigung der Rinnen DO bis D4 wieder ab. Beim Erreichen der Enden der Böden der Rinnen DO bis D4, tropft das Konzentrat in die darunter befindlichen Rinnen Dl bis D5. Das Konzentrat, das sich in den Rinnen Dl bis D5 gesammelt hat, wird durch Rohrleitungen oder ähnliche Einrichtungen aus der Vorrichtung ausgetragen.
Der gebildete Wasserdampf kondensiert beim Kontakt mit den absorbierenden Schichten W1 bis W5. Das von den Schichten W1 bis W5 absorbierte Kondensat fliesst auf den dünnen Platten El bis E5 entlang der Neigung derselben nach unten und wird an den ausgebogenen Vertiefungen LI bis L5 gesammelt. Bei Verwendung einer Vorrichtung dieses Typs brauchen die absorbierenden Schichten W1 bis W5 nicht immer vorhanden zu sein; das auf den Frontoberflächen der dünnen Platten gebildete Kondensat kann entlang der Neigung derselben hinabfliessen gelassen und an den ausgebogenen Vertiefungen LI bis L5 gesammelt werden. Das in den Vertiefungen gesammelte Kondensat wird beispielsweise durch Kapillarwirkung oder nach dem Siphon-Prinzip aus der Vorrichtung ausgetragen.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird das gleiche Einengungssystem verwendet, wie es in Bezug auf die Fig. 1B bereits beschrieben worden ist.
Während die verdünnte Lösung bei dieser Ausführungsform der Erfindung nur einmal zwischen benachbarten dünnen Platten eingeengt wird, kann die Konzentrataustrags-rohrleitung in jeder Stufe mit dem Zuführungsrohr für die verdünnte Lösung für die nächst niedrigere Stufe verbunden werden, um die Lösung stufenweise einzuengen.
Im allgemeinen wird die der Wärme aufnehmenden Platte zugeführte Wärmemenge verbraucht zum Verdampfen der verdünnten Lösung, mit der die absorbierende Schicht auf der hinteren Oberfläche der Platte imprägniert ist, und auch abgeführt durch das dabei erhaltene Konzentrat und Kondensat in Form ihrer Temperatur. Daher sollte die von dem Kondensat und Konzentrat absorbierte Wärme durch einen Wärmeaustauscher weitest möglich zurückgewonnen werden. Es ist jedoch unmöglich, die Wärme zu 100% zurückzugewinnen und in der Regel gehen etwa 10% der zugeführten Wärme verloren. Die bei der Kondensation von Dampf in der das Kondensat absorbierenden Schicht auf jeder der dünnen Platten El bis E5 erzeugte Wärmemenge Qn ist durch die folgende Gleichung (I) gegeben:
Qn = Q<rf* (I)
worin Qo die Menge der ursprünglich zugeführten Wärme, n die Anzahl der Verdampfungsstufen und f das Schwä5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
5
658 999
chungsverhältnis, das in der Regel 0,85 bis 0,95 beträgt, bedeuten. Der Grad der Verdampfung oder Einengung ist proportional zur Wärmemenge Qn und nimmt mit steigender Anzahl der Verdampfungsstufen ab.
Wenn nun die einzuengende Lösung jeder Stufe im Verhältnis des Schwächungsverhältnisses f, multipliziert mit der Anzahl der betreffenden Stufen, zugeführt wird, anstatt sie in gleichen Mengen allen Stufen zuzuführen, werden keine Lösungsüberschüsse zugeführt zur Erzielung eines erhöhten Einengungswirkungsgrades.
Wenn die einzuengende Lösung, die jeder Stufe zugeführt wird, auf eine Temperatur erhitzt ist, die höher ist als die Temperatur des erhaltenen Kondensats und Konzentrats, kann die durch das Kondensat und Konzentrat in jeder Stufe abgeführte Wärmemenge mehr als kompensiert werden, so dass die Kondensatmenge von Stufe zu Stufe nicht abnimmt. So kann der Einengungswirkungsgrad auch wirksam verbessert werden durch Einführung der verdünnten Lösung mit einer verhältnismässig hohen Temperatur.
Die Fig. 2B zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Wärmequelle HS unterhalb der untersten dünnen Platte EO angeordnet ist, die hier als Wärme aufnehmende Platte dient. Auf den hinteren Oberflächen (den oberen Oberflächen in der Fig. 2B) der dünnen Platten EO bis E4 sind die verdünnte Lösimg absorbierende Schichten SO bis S4 vorgesehen und auf den vorderen Oberflächen (den unteren Oberflächen in der Fig. 2B) der dünnen Platten El bis E5 sind das Kondensat absorbierende Schichten W1 bis W5 vorgesehen. Diese Ausführungsform hat den gleichen Aufbau wie die in Fig. 2A dargestellte, jedoch mit Ausnahme der vorgenannten Merkmale.
Die Fig. 3A bis 3C zeigen schematische Querschnittsansichten von Ausführungsformen der Erfindung, die sich im Typ von den in den Fig.2A bis 2B gezeigten unterscheiden.
Die in Fig. 3A dargestellte Ausführungsform weist eine Wärmestrahlungs- oder ähnliche Wärmequelle Hs auf, die oberhalb einer Anordnung von dünnen Platten, die vier dünne Zwischenplatten umfasst, angeordnet ist. Die dünnen Platten sind horizontal angeordnet und weisen keine gekrümmten Abschnitte auf.
Die dünnen Platten EO bis E5 sind an jedem ihrer entgegengesetzten Endabschnitte so gefaltet, dass sie einen V-förmigen Querschnitt haben unter Ausbildung von Rinnen A0 bis A5 für die einzuengende verdünnte Lösung und unter Ausbildung von Rinnen B0 bis B5 für das erhaltene Konzentrat.
Alle dünnen Platten EO bis E4 mit Ausnahme der untersten Platte E5 sind auf den hinteren Oberflächen (den unteren Oberflächen in der Fig. 3A) derselben mit die verdünnte Lösung absorbierenden Schichten SO bis S4 versehen, die sich von den Bodenenden der Rinnen A0 bis A4 bis zu den Rändern der Rinnen B0 bis B4 erstrecken. Die das Kondensat absorbierenden Schichten W1 bis W5, die an den Frontoberflächen (den oberen Oberflächen in der Fig. 3A) der dünnen Platten El bis E5 ausser an der obersten Platte EO befestigt sind, erstrecken sich von den Rändern der Rinnen Al bis A5 bis zu den Bodenenden der Rinnen B1 bis B5.
Die dünnen Platten EO bis E5 sind in Form von Schichten mit umgebenden Wärmeisoliereinrichtungen, die dazwischen angeordnet sind, so angeordnet, dass ein Kontakt der angrenzenden absorbierenden Schichten untereinander vermieden wird.
In den oberen Abschnitten der die Lösungsrinnen AI bis A5 begrenzenden schrägen Wände sind Überlauföffnungen Hl bis H5 vorgesehen. Die Überlauföffnung in jeder der dünnen Platten ist höher angeordnet als der Boden der Rinne der nächst höheren dünnen Platte. In den Böden der
Kondensatrinnen B1 bis B5 sind Öffnungen II bis 15 vorgesehen.
Die einzuengende verdünnte Lösung wird durch eine Rohrleitung PI in die Rinne AI eingeführt, wobei sie die Rinne AI füllt und durch die Öffnung Hl überläuft, um die Rinne A2 zu füllen. In entsprechender Weise füllt die überlaufende verdünnte Lösung durch die Löcher H2 bis H4 nacheinander die Rinnen A3 bis A5.
Wenn die Rinnen Al bis A5 mit der Lösung gefüllt sind, wird die Lösung durch die an den hinteren Oberflächen der mit Rinnen versehenen Abschnitte A0 bis A4 befestigten absorbierenden Schichten SO bis S4 absorbiert und die Schichten werden vollständig damit imprägniert (getränkt).
Wenn die oberste dünne Platte EO durch die Wärmequelle HS erhitzt wird, wird die verdünnte Lösung, mit der die Schicht SO imprägniert ist, erhitzt und durch Verdampfen des Wassers eingeengt. Durch Diffusion erhöht das Konzentrat die Konzentration der verdünnten Lösung in der Rinne AI. Da durch die Rohrleitung PI kontinuierlich oder intermittierend frische verdünnte Lösung zugeführt wird, läuft das resultierende Konzentrat über durch die Öffnung Hl in die Rinne A2.
Andererseits erreicht der gebildete Wasserdampf die das Kondensat absorbierende Schicht W1 auf der Frontoberflä-che der gegenüberliegenden dünnen Platte El, wodurch der Dampf kondensiert und von der Schicht W1 absorbiert wird. Aufgrund der Kapillarwirkung und des Siphon-Prinzips fliesst das absorbierte Kondensat in die Rinne B1 und tropft durch die Bodenöffnung II in die Rinne B2.
Die dünne Platte El mit einer guten Wärmeleitfähigkeit wird durch die latente Kondensationswärme des Wasserdampfes, die an die Schicht W1 abgegeben wird, erhitzt. Die Wärme wird auf die verdünnte Lösung übertragen, die von der die Lösung absorbierenden Schicht El auf der Rückseite der dünnen Platte El absorbiert worden ist, wodurch die Lösung durch Verdampfung von Wasser eingeengt wird.
In entsprechender Weise wird die Lösung zwischen den dünnen Platten El und E2, E2 und E3 und E3 und E4 eingeengt. Während die Lösung in entsprechender Weise auch zwischen der dünnen Platte E4 und der untersten dünnen Platte E5 eingeengt wird, wird die an die das Kondensat absorbierende Schicht W5 abgegebene latente Kondensationswärme durch die dünne Platte E5 aus der Vorrichtung freigesetzt.
Das in der Rinne A5 der dünnen Platte E5 gesammelte Konzentrat läuft über durch die Öffnung H5 und gelangt durch einen Abfluss Gl in eine Rohrleitung Pc. Erforderlichenfalls kann das Konzentrat weiterhin durch die Vorrichtung im Kreislauf geführt und bis zu der gewünschten Konzentration eingeengt werden. Wenn jedoch die Lösung übermässig stark eingeengt wird, fallen in den absorbierenden Schichten Kristalle des gelösten Materials, wie z. B, von Salzen, aus, was unerwünscht ist.
Das in der Rinne B5 gesammelte Konzentrat tropft durch die Bodenöffnung 15 der Rinne B5 und gelangt durch einen Abfluss G2 in eine Rohrleitung Pw.
Die Fig. 3B zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die eine Abänderung der Ausführungsform der Erfindung gemäss Fig. 3A darstellt und die eine Wärmequelle HS aufweist, die auf der unteren Seite der Zeichnung angeordnet ist und in der die unterste dünne Platte EO als die Wärme aufnehmende dünne Platte dient. Dementsprechend sind die verdünnte Lösung absorbierende Schichten SO bis S4 auf den hinteren Oberflächen (den oberen Oberflächen der Fig. 3B) der dünnen Platten EO bis E4 vorgesehebn und auf den Frontoberflächen (den unteren Oberflächen in Fig. 3B)
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
658 999
der dünnen Platten El bis E5 sind das Kondensat absorbierende Schichten W1 bis W5 vorgesehen. Die erfïndungsge-mässe Ausführungsform hat den gleichen Aufbau wie die in Fig. 3A gezeigte, jedoch mit Ausnahme der vorgenannten Merkmale.
Die Fig. 3C zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der Rinnen mit V-förmigem Querschnitt in drei Reihen angeordnet sind, die einen Abstand voneinander haben. Die einzuengende verdünnte Lösung wird durch eine Rohrleitung PI in die zentrale Rinne A eingeführt. Das Kondensat wird aus den unteren Enden der Rinnen B auf den entgegengesetzten Seiten abgezogen und das Konzentrat wird aus den unteren Enden der Rinnen A abgezogen. Mit Ausnahme dieser Merkmale hat diese Ausführungsform den gleichen Aufbau wie die in Fig. 3B gezeigte.
Die Fig. 4 bis 8 zeigen schematische Querschnittsansichten von dünnen Platten mit verschiedenen Formen, die Fig. 9A zeigt eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer anderen dünnen Platte mit einer anderen Form und die Fig. 9B zeigt eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie A—A in Fig. 9A.
Diese dünnen Platten sind geeignet für die Verwendung in den Ausführungsformen der Erfindung der in den Fig. 1 A, 2A und 2B dargestellten Typen.
Die Fig. 4 bis 6 zeigen Ausführungsformen, bei denen die gleichen dünnen Platten wie sie in den Fig. 2A und 2B gezeigt sind, kontinuierlich so angeordnet sind, dass sich ihre Rinnen in verschiedenen Höhen befinden. Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform liegen die Rinnen in aufeinanderfolgenden niedrigeren Höhen vor. Die einzuengende Lösung wird der höchsten Rinne, d.h. der an einem Ende der dünnen Platte vorliegenden Rinne, zugeführt und das Konzentrat wird aus der am anderen Ende vorliegenden Rinne abgezogen. Das Kondensat wird an den gekrümmten Abschnitten abgezogen.
Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist die etwa im Zentrum der dünnen Platte vorgesehene Rinne die höchste und vorzugsweise befindet sich auf jeder Seite der zentralen Rinne eine gleiche Anzahl von Rinnen. Die an den gegenüberliegenden Enden der Platte vorliegenden Rinnen sind die niedrigsten. Die einzuengende Lösung wird der höchsten zentralen Rinne zugeführt und das Konzentrat wird aus den Rinnen an den gegenüberliegenden Enden abgezogen. Das Kondensat wird aus den gekrümmten Abschnitten entnommen.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform weist die dünne Platte entgegengesetzte Enden auf, die auf dem höchsten Niveau liegen und sich allmählich in Richtung ihres Zentrums nach unten erstrecken. Die einzuengende Lösung wird den Rinnen an den entgegengesetzten Enden zugeführt, während das Konzentrat aus der zentralen Rinne abgezogen wird. Das Kondensat wird aus den gekrümmten Abschnitten abgezogen.
Die Fig. 7 zeigt eine dünne Platte mit Rinnen an ihren entgegengesetzten Enden und einen mittleren Abschnitt, der unter einem stumpfen Winkel gekrümmt ist. Die einzuengende Lösung wird einer der Rinnen zugeführt, das Konzentrat wird aus der anderen Rinne abgezogen und das Kondensat wird aus dem gekrümmten Mittelabschnitt abgezogen.
Die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform ist die gleiche wie die in Fig. 7 gezeigte, wobei diesmal jedoch die dünne Platte in zwei Mittelabschnitten gekrümmt ist unter Ausbildung eines flachen Mittelabschnittes. Die einzuengende Lösung wird zugeführt und das Konzentrat und das Kondensat werden abgezogen auf die gleiche Weise wie in Fig. 7 angegeben.
Die Fig. 9A zeigt eine Ausführungsform, die an den in der Breite einander gegenüberliegenden Seiten erhöht ist und an einem ihrer in Längsrichtung einander gegenüberliegenden Enden eine Rinne mit V-förmigem Querschnitt zur Einführung der einzuengenden Lösung versehen ist. Das mit der Rinne versehene Ende liegt höher als das andere Ende. Das Konzentrat und das Kondensat können getrennt durch die weiter unten in Bezug auf die Fig. 11 bis 13 beschriebenen Einrichtungen gesammelt werden. Die Fig. 9B zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A—A der Fig. 9A.
Die Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die sechs dünne Platten des in der Fig. 4 gezeigten Typs umfasst.
Bei der erfindungsgemässen Ausführungsform weist jede dünne Platte eine Reihe von Rinnen Ca bis Cj und Do auf, die von der Rinne Ca ab gerechnet in Richtung auf die Rinne Do nacheinander niedrigere Niveaus haben. Die einzuengende verdünnte Lösung wird zuerst in die höchste Rinne Ca und dann in die Rinnen Di und Cj in geeigneten Mengen im allmählich ansteigender Konzentration eingeführt, wodurch die einzuengende Lösung durch die erhöhte Temperatur des Konzentrats vorerwärmt werden kann, so dass ein verbesserter thermischer Wirkungsgrad erzielt wird.
Diese Ausführungsform kann von oben erhitzt werden. Als Wärmequelle HS wird beispielsweise Sonnenstrahlungswärme verwendet. Daher weist das Gehäuse eine obere Abdeckung 2 auf, die aus Glas, transparenten Kunststoffen oder einem ähnlichen Material besteht, die Sonnenstrahlen und ähnliche Strahlungswärme hindurchlässt. Die Seitenabschnitte des Gehäuses bestehen aus korrosionsbeständigen wärmeisolierenden Elementen 1 zum Festhalten der dünnen Platte, einem äusseren wärmeisolierenden Element 3 und einer wärmeisolierenden Abdeckung 4 in einer Anordnung von innen nach aussen. Mit einem solchen Gehäuse kann die Wärme von der Wärmequelle wirksam auf die dünnen Platten übertragen werden.
Die Fig. 11 bis 13 zeigen schematische Querschnittsansichten von verschiedenen Ausführungsformen der Einrichtungen zum Abziehen des Konzentrats und des Kondensats für die Verwendung in der erfindungsgemässen Vorrichtung. In jeder der Fig. 11 bis 13 ist eine Wärmequelle HS auf der Oberseite der Zeichnung angeordnet. Dementsprechend sind die verdünnte Lösung absorbierende Schichten S an den hinteren Oberflächen (den unteren Oberflächen in jeder der Fig. 11 bis 13) der gezeigten dünnen Platten befestigt. Das Kondensat absorbierende Schichten W sind an den Frontoberflächen (den oberen Oberflächen in jeder der Fig. 11 bis 13) der dünnen Platten befestigt. In den Fig. 11 bis 13 handelt es sich bei Pc um Rohrleitungen oder Durchgänge zum Abziehen des Konzentrats und bei Pw handelt es sich um Rohrleitungen zum Abziehen des Kondensats. Wenn die Wärmequelle HS auf der unteren Seite der Zeichnung angeordnet ist, sind die die Lösung absorbierenden Schichten S und die das Kondensat absorbierenden Schichten W gegeneinander vertauscht.
Als weitere Abart der Ausführungsform der Erfindung kann die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform als eine Einheit verwendet werden. Derartige Einheiten sind in Schichten angeordnet oder durch geeignete Einrichtungen miteinander verbunden, so dass sie seitlich nebeneinander angeordnet sind zur Erzielung einer Mehrstufen-Vorrichtung oder einer Vorrichtung einer grösseren Breite.
Die Anzahl der dünnen Zwischenplatten variiert in Abhängigkeit von der Art der Wärmequelle, der Art und Konzentration der einzuengenden Lösung, der Konzentration
6
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
7
658 999
des herzustellenden Konzentrats und dgl. und sie wird in Abhängigkeit von diesen Bedingungen festgelegt.
Die erfindungsgemässe Einengungsvorrichtung eignet sich zum Vorkonzentrieren von verdünnten wässrigen Lösungen für die Wiederverwendung von Lithiumjodid, Cal-ciumchlorid und dgl., wie sie als Entfeuchtungsmittel verwendet werden, zum Vorkonzentrieren zur Rückgewinnung von Spuren von brauchbaren Komponenten, wie Jod, Brom, Magnesium und Uran aus Meerwasser und sie eignet sich auch als Teil von Energiespeichersystemen, die auf Konzentrationsdifferenzen basieren.
Zum Einengen einer wässrigen Lösung von Natriumchlorid mit einer Konzentration von 3,2 Gew.-% (die nachstehend angegebenen Prozentsätze beziehen sich ebenfalls stets auf Gew.-%) wurden Vorrichtungen der in den Fig. 2A, 3A und 10 dargestellten Typen verwendet. Die Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen I bis III angegeben. Die Spezifikationen der Vorrichtungen und Wärmequellen waren folgende: '
Fig. 2A-Typ:
Spezifikation
Dünne Platten: korrosionsbeständige Platten aus rostfreiem Stahl, 0,9 x 3 m x 0,4 mm Anzahl der Stufen: 15
absorbierende Schichten: 1 mm dickes nicht-gewebtes Gewebe aus Nylonfasern
Abstand zwischen den absorbierenden Schichten: 4 mm Wärmequelle: Sonnenstrahlungswärme (Wärmezufuhr: 1885 kcal/h/Vorrichtung, Oberflächentemperatur der Wärme aufnehmenden Platte: 86,4 °C).
Die Vorrichtung wurde 2 Stunden nach Beginn des Erhitzens in einen Gleichgewichts-Betriebszustand gebracht. Die folgende Tabelle I zeigt die in jeder Stufe zugeführte Lösungsmenge und die in jeder Stufe erhaltenen Mengen an Konzentrat und Kondensat.
Tabelle I
Stufe
Lösungs
Konzen
Kondensat
Konzentra
zufuhr (ml/h)
tratmenge (ml/h)
menge (ml/h)
tion des
Konzentrats (%)
1
2387
557
1830
13.72
2
2242
531
1711
13.52
3
1902
450
1452
13.54
4
1836
435
1401
13.50
5
1824
432
1392
13.51
6
1595
377
1218
13.54
7
1372
325
1047
13.51
8
1308
307
1001
13.62
9
1175
278
896
13.50
10
1047
247
803
13.63
11
974
229
745
13.61
12
896
215
682
13.36
13
847
200
647
13.54
14
792
189
603
13.44
15
682
160
522
13.67
Gesamt
20879
4932
15950
13.55
menge
(Durchschnitt)
Die durchschnittliche Konzentration des Konzentrats und der Einengungswirkungsgrad wurden aus den folgenden Gleichungen errechnet:
Durchschnittliche Konzentration des Konzentrats = Konzentration (%) der zugeführten Lösung x
Lösungszufuhr (ml/h)
Konzentratmenge (ml/h)
Einengungswirkungsgrad =
Kondensatmenge (1/h) x latente Verdampfungswärme (kcal/1)
zugeführte Wärme (kcal/1) °
= 15,9LV6° x 100 = 473>85 (%)
looJ
Fig. 3A-Typ Spezifikationen:
Dünne Platten: korrosionsbeständige Platten aus rostfreiem Stahl, 0,3 m x 3,0 m x 0,4 mm Anzahl der Stufen: 15
absorbierende Schichten: 1 mm dickes nicht-gewebtes Gewebe ausw Nylonfasern
Abstand zwischen den absorbierenden Schichten: 4 mm Wärmequelle: Sonnenstrahlungswärme (Wärmezufuhr: 630 kcal/h/Vorrichtung, Oberflächentemperatur der Wärme aufnehmenden Platte: 87 °C)
einzuengende Lösung: 3,2%ige wässrige Natriumchloridlösung.
Die Lösung wurde unter den oben angegebenen Bedingungen eingeengt, wobei die in der folgenden Tabelle II angegebenen Ergebniss erhalten wurden. Mit der Vorrichtung wurde ein Einengungswirkungsgrad von 534% erzielt.
Tabelle II
Stufe Lösungs- Konden- Konzentrat zufuhr satmenge (ml/h) (ml/h)
Menge (ml/h) Konzentra-
tion (%)
1
8200
670
7530
3.48
2
618
6912
3.79
3
587
6325
4.14
4
528
5797
4.52
5
480
5317
4.93
6
442
4875
5.38
7
398
4477
5.86
8
370
4107
6.39
9
344
3763
6.97
10
327
3436
7.63
11
301
3135
8.36
12
274
3861
9.16
13
247
2614
10.04
14
222
2392
10.97
15
199
2193
11.97
Gesamt
8200
6007
2193
11.97
menge
(Endkon
zentration)
Fig. 10-Typ Spezifikation:
Dünne Platten: drei Blöcke von dünnen Platten, die seitlich miteinander verbunden waren und jeweils bestanden aus korrosionsbeständigen Platten aus rostfreiem Stahl, 0,9 m x 3 m x 0,4 mm
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
658 999
Anzahl der Stufen: 15
absorbierende Schichten: 1 mm dickes nicht-gewebtes Gewebe aus Nylonfasern
Abstand zwischen den absorbierenden Schichten: 4 mm Wärmequelle: Sonnenstrahlungswärme (Wärmezufuhr: 1885 kcal/h/Vorrichtung, Oberflächentemperatur der Wärme aufnehmenden Platte: 86 °C)
Tabelle III
zweiter Block
Konzentrat Kondensat- Konzentrat menge (ml/h)
Menge (ml/h) Konzentration Menge (ml/h) Konzentration
(%) (%)
1
2520
650
1870
4.31
677
1193
7.12
2
2367
638
1729
4.38
640
1089
7.08
3
2008
534
1474
4.36
550
924
7.03
4
1939
513
1426
4.35
552
874
6.90
5
1926
496
1430
4.31
503
927
7.21
6
1684
473
1211
4.45
466
745
6.98
7
1448
434
1014
4.57
394
620
7.02
8
1382
379
1003
4.41
367
636
7.15
9
1241
343
898
4.42
363
535
6.74
10
1108
278
830
4.27
287
543
7.28
11
1029
279
750
4.39
277
473
7.05
12
946
253
693
4.37
269
424
6.82
13
892
209
683
4.18
248
435
7.00
14
836
204
632
4.23
241
391
6.87
15
720
190
530
4.35
202
328
6.95
Gesamt
22046
5873
16173
4.36
6036
10137
7.01
menge
(Durchschn.)
(Durchschnitt)
35
Tabelle III-Fortsetzung
Stufe dritter Block Gesamtmenge des Kondensats in
Kondensatmenge (ml/h) Konzentrat jeder Stufe (ml/h)
Menge (ml/h) Konzentration (%)
1
734
459
17.54
2061
2
659
430
17.63
1937
3
560
364
17.65
1644
4
527
347
17.86
1592
5
575
352
17.51
1574
6
439
306
17.62
1378
7
354
266
17.41
1182
8
384
252
17.58
1130
9
309
226
17.57
1015
10
343
200
17.74
908
11
283
190
17.37
839
12
252
172
17.56
774
13
275
160
17.83
732
14
240
151
17.67
685
15
198
130
17.71
590
Gesamtmenge
6132
4005
17.6
18041
(Durchschnitt)
60
einzuengende Lösung: 3,2%ige wässrige Natriumchloridlösung.
Die obige Lösung wurde unter den obengenannten Bedingungen eingeengt, wobei die in der folgenden Tabelle III s angegebenen Ergebnisse erhalten wurden. Mit der Vorrichtung wurde ein Einengungswirkungsgrad von 536% erzielt.
Stufe Lösungszufuhr erster Block
(ml/h)
Kondensatmenge (ml/h)
65
4 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Vorrichtung zum Einengen einer verdünnten Lösung, gekennzeichnet durch eine Wärme aufnehmende Platte (EO), die auf ihrer der Wärmequelle (HS) abgewandten Oberfläche mit einer Lösungsabsorptionsschicht (S) zum Absorbieren einer einzuengenden Lösung versehen ist, und eine Kondensationsplatte (El), die im Abstand (1) von der Lösungsabsorptionsschicht (S), dieser gegenüberliegend, angeordnet und mit einer ein Kondensat absorbierenden Schicht (W) versehen ist, wobei die Kondensationsplatte (El) mit mindestens einer Rinne (Cl) zur Zuführung der Lösung zur Lösungsabsorptionsschicht (S) ausgestattet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zwischenplatte (El — E4), die auf mindestens einer Seite mit einer absorbierenden Schicht versehen ist, zwischen der Wärme aufnehmenden Platte (EO) und der Kondensationsplatte (El) im Abstand von den angrenzenden absorbierenden Schichten und ausser Kontakt mit diesen angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenplatte (El — E4) die absorbierende Schicht (W) auf beiden Seiten aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme aufnehmende Platte (EO) und die Kondensationsplatte (Ei) horizontal angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Platten (Eo—En) horizontal angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Platten (Eo—En) zur horizontalen Ebene geneigt angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinne (Cl) bzw. Rinnen (CO, Cl, DO, Dl) einen V-förmigen Querschnitt hat bzw. haben.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinnen im Abstand zueinander angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in allen Platten (Eo—En) Rinnen (CO, Cl, DO, Cl) vorgesehen sind und dass diese im Abstand zueinander angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass alle Platten (Eo—En) zwischen den Rinnen mit in Richtung der Rinnen laufenden Vertiefungen (LO—L5) zur Kondensataufnahme versehèn sind (Fig. 1A,2A, 2B, 4 bis 8,10).
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