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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung für Substrate bzw. Flüssigkeiten in Behälter auf Biogasanlagen und dergleichen mit einem an einem oder mehreren Gelenkarmen angeordneten Tauchrührwerk.
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Unter Tauchrührwerk oder manchmal auch in verschiedenen Publikationen als Tauchmotorrührwerk bezeichnet wird im Nachfolgenden ein unter dem Flüssigkeitsspiegel betriebenes Aggregat verstanden, das im wesentlichen aus einem in einem flüssigkeitsdichten Gehäuse untergebrachten Antriebsmotor mit und ohne Getriebe und einem damit angetriebenen strömungserzeugenden Teil, meist einem Mischpropeller, besteht.
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Die Mischvorrichtung ermöglicht eine Höhenverstellung des Tauchrührwerks und eine Richtungseinstellung ausschließlich über mit Gelenkelementen verbundene Schwenkarme und Gelenkelemente.
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Das zur Verstellung erforderliche Drehmoment resultiert dabei vorzugsweise aus der Schubkraft des Propellers und dem Wirkabstandes seines Schubkraftvektors zur horizontalen und vertikalen Achse.
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Mit einem Steuersystem können im Voraus Mischoperationen eingegeben werden, die ereignisbezogen oder zu einem vorgewählten Zeitpunkt vom Tauchrührwerk entsprechend den Instruktionen abgearbeitet werden.
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Behälter auf Biogasanlagen werden nach Ihrer Funktion unterteilt in Vorgruben, Anmaischbehälter, Fermenter, Nachfermenter und Endlager.
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Fermenter werden mit Feststoffen, das sind heute überwiegend nachwachsende Rohstoffe (Nawaros) wie Mais, Gras, etc. aber z. B. auch Festmist über Feststoffeinträge direkt beschickt, die flüssige Phase, beispielsweise Gülle, wird in Vorgruben gesammelt und dem Fermenter über Pumpen zugeführt.
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Manchmal werden der flüssige und der feste Anteil bereits vor dem Fermenter in Anmaischbehälter verbracht, dort homogenisiert und flüssig dem Fermenter zugeführt.
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In Fermenter und Nachfermenter von Biogasanlagen wird Biomasse vergärt. Das durch den anaeroben Abbau von organischen Stoffen in den Fermentern entstehende Biogas wird unmittelbar auf der Anlage in Blockheizkraftwerken zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet bzw. in das Gasnetz eingespeist. Fermenter und Nachfermenter sind gasdicht ausgeführt und werden mit Gasüberdrücken von einigen Millibar betrieben. Häufig kommen Behälter mit Foliendächern zum Einsatz, üblich sind aber auch Behälter mit Betondecken.
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Eine Homogenisierung des Substrates ist für einen ungestörten Prozessablauf und für eine gleichmäßige Gaserzeugung unabdingbar. Das Substrat gelangt dann im Überlaufverfahren nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren oder auch durch Umpumpen vom Fermenter über den Nachfermenter ins Endlager.
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Im meist gasdichten Endlager wird das ausgegärte Substrat aus den Fermentern gespeichert und das entstehende Restgas ebenfalls der Verwertung zugeführt. Das Substrat wird von Zeit zu Zeit auf Felder ausgebracht oder anderweitig verwertet.
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Wechselnde Füllstände sind funktionsbedingt bei Vorgruben, Anmaischbehälter und Endlager zu erwarten, bei zu geringem Speicherraum im Endlager sind wechselnde Füllstände auch bei Nachfermentern denkbar. Eine Höhenanpassung des Rührwerks ist in diesen Fällen unabdingbar.
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Durch den Dichteunterschied der einzumischenden Stoffe ist in den Behältern insbesondere bei Nawaros mit einer schnellen Entmischung und mit der Gefahr einer plötzlichen Schwimmdeckenbildung zu rechnen.
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Die vor beschriebenen Zusammenhänge verlangen aber eine vollständige Durchmischung, auch einzelne Totzonen würden sich immer stärker mit Feststoffen anreichern und schließlich im ungünstigsten Fall die gesamte Substratoberfläche mit einer die Gasproduktion hemmenden Schwimmdecke überziehen. Um solche Totzonen zu vermeiden, ist meist mehr als ein Rührwerk vorzusehen, diese sind dann in unterschiedlichen Höhen und eventuell auch mit vorbestimmten Strahlrichtungen zu positionieren. Um den Investitionsaufwand zu reduzieren, wird die Anzahl der Rührwerke oft minimiert und dafür eine zeitaufwändige manuelle Verstellung vorgesehen.
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Stand der Technik
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Stand der Technik sind Verstelleinrichtungen nach
DE 20 2009 001 118 ,
DE 20 2008 002 576 oder auch
DE 10 2007 062 563 , bei denen das Tauchrührwerk mit einem Gleitschlitten an einem vertikal eingebauten Formrohr geführt über einen Seilzug in der Höhe und durch Schwenken des Führungsrohres um die vertikale Achse um einen horizontalen Winkel verstellbar ausgeführt sind.
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Die Energiezufuhr erfolgt dabei über das Elektrokabel, das entweder am Drahtseil oder über eine separate Führungsstange in Schlaufen geführt ist. Meist unvermeidliche langfaserige Stoffteile hängen sich im Laufe der Zeit um diese zur Längenanpassung durch die Höhenverstellung notwendigen Kabelschlaufen und führen zum Flattern des Kabels in der Strömung ähnlich einer auf einem Seil zum Trocknen aufgehängten Wäsche im Wind. Diese mechanische Dauerbelastung und entstehende Knäuelbildung durch Verzopfungen bergen immer die Gefahr von Kabelbrüchen in sich.
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Die Verwendung von mehr oder weniger elastischen Schutzschläuchen für die Energiezuführungsleitung verringern zwar die Gefahr von Kabelbrüchen etwas, können Störungen aber nie ganz verhindern. Bilden sich trotz aller Bemühungen Schwimmdecken, ist mit dem Abknicken des Schutzschlauches und damit dem vollständigen Wegfall der Schutzwirkung für das Kabel zu rechnen.
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Auch um das im Wesentlichen vertikal ausgerichtete Formrohr hängen sich die erwähnten langfaserigen Stoffteile und darüber hinaus ist mit Anbackungen im Übergangsbereich Gas-Substrat zu rechnen. Das Tauchrührwerk wird über einen Gleitschlitten am Formrohr entlang geführt, der mit wenig Spiel ausgeführt sein muss, um unzulässige Schwingungen während des Betriebs des Rührwerkes zu verhindern. Die Anbackungen und auch die langfaserigen Stoffteile stören häufig die Höhenverstellung und führen immer wieder zu Betriebsausfällen.
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Das Drahtseil für die Höhenverstellung ist ebenfalls störanfällig. Unvermeidliche Schwingungen durch den rotierenden Mischpropeller setzen dem Drahtsseil so stark zu, so dass nur ein häufiger Austausch einen Seilbruch verhindern kann.
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Darüber hinaus müssen bei gasdichten Behältern sowohl das Drahtseil als auch die Verstelleinrichtung aufwändig und wartungsintensiv durch die Behälterwand nach außen geführt werden.
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Eine Verbesserung in Bezug auf den manuellen Aufwand sind Verstelleinrichtungen, bei denen die Höhenverstellung motorisch erfolgt. In der
DE 10 2007 009 451 wird ein solches motorisch höhenverstellbares Tauchmotorrührgerät mit einer automatischen Höhenanpassung an den Füllstand beschrieben. Das Tauchrührwerk mit dem Gleitschlitten wird dabei an einem Formrohr geführt und über einen Seilzug verstellt. Eine notwendige Schwenkbewegung um den gesamten Behälterbereich zu erfassen, müsste dabei manuell ausgeführt werden.
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Die vorerwähnten Nachteile mit dem Gleitschlitten am Formrohr, dem Drahtseil und der Kabelführung treffen auch hier zu, verstärkt werden diese Nachteile noch dadurch, dass bei automatischem Betrieb häufig die notwendige Kontrolle und die sofortige Korrektur, wie sie bei manuellem Betrieb gegeben ist, fehlt.
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Eine verbesserte Ausführung in Bezug auf den manuellen Aufwand wird auch in der
DE 100 09 958 offenbart. Über eine Hebevorrichtung wird ein an einer Führungseinrichtung abzusenkendes und aus dem Behälter zu hebendes Strömungsaggregat für Behälter beschrieben. Das Strömungsaggregat bzw. Tauchrührwerk wird nach wie vor störungsanfällig an einer Führungsvorrichtung auf- und ab bewegt, eine manuelle Nachstellung der Höhe ist ebenfalls erforderlich, da die Verstellung der Strahlrichtung eine Höhenpositionierung keinesfalls ersetzen kann. Das Problem mit dem Kabel, dem Drahtseil und der zur Blockierung neigenden Schlittenführung ist ebenfalls nicht gelöst.
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Eine Verbesserung in Bezug auf die Kabelführung bringt die Führungsvorrichtung für ein Tauchrührwerk nach
DE 20 2005 017 638 . Das Tauchrührwerk ist dabei an einer Schiene, die in einem Schwenklager in unmittelbarer Nähe zur oder in der Wandung eines Behälters gelagert ist, befestigt. Dies ermöglicht eine Verschwenkung in mindestens einer Raumrichtung. Durch die Zuführung der Antriebsenergie innerhalb der Schiene liegen im Umfeld keine Leitungen im Substrat. Eine Seilzugseinrichtung ist ebenfalls nicht mehr notwendig. Die mögliche Schwenkbewegung des Tauchrührwerks wird von der Außenseite des Behälters aus vorgenommen.
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Die gasdichte Durchführung der schwenkbaren Schiene durch die Behälterwandung ist jedoch aufwändig und wird im vorliegenden Fall mit einer Gummi-Manschette gelöst, die die Schwenkbewegung der Schiene aufnehmen soll. Die Wanddurchführung begrenzt auch gleichzeitig den Schwenkwinkel sowohl um eine vertikale als auch um eine horizontale Raumachse und erfordert damit eine sehr lange Schiene, an deren Ende das Tauchrührwerk befestigt ist, damit sowohl im oberen als auch im unteren Bereich gerührt werden kann und der Rührstrahl nicht zu stark von der Horizontalen abweicht. Die Reaktionskräfte führen damit zu erheblichen, die Gesamtkonstruktion und auch die Behälterwand belastenden Momenten. Demnach ist auch der Bereich, der mit denn Propellerstrahl bestrichen werden kann, stark eingeengt.
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In größeren Fermentern werden nach dem Stand der Technik auch mehrere Tauchrührwerke stationär eingesetzt, eine Variante ist in der
DE 10 2010 014 239 offenbart. Zwei Tauchrührwerke sind so eingesetzt, dass sie in Korrespondenz zueinander arbeiten sollen. Eine feste Verlegung der Versorgungsleitungen ist auch bei stationärem Einbau nicht möglich, da im Servicefall die Rührwerke herausgehoben werden müssen.
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Die Rührstrahlrichtung ist einmal vorbestimmt auf Dauer festgelegt, damit sind Totzonen im Betrieb bei den häufig anzutreffenden wechselnden Inputstoffen auch bei mehreren korrespondierenden Tauchrührwerken nicht zu vermeiden, darüber hinaus sind die Investitionskosten vergleichsweise hoch.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Mischvorrichtung mit vergleichsweise geringem Investitionsaufwand zur Verfügung zu stellen, welche ohne
- • eine zur Blockierung neigende Schlittenführung
- • ein freihängendes, flatterndes und langfaserige Stoffteile aufsammelndes Kabel
- • ein bruchgefährdetes Drahtseil auskommt. Darüber hinaus soll die erfindungsgemäße Mischvorrichtung
- • einen geringen Abstand zum Lagerpunkt zur Reduzierung entstehender Kräfte und Momente aufweisen
- • eine zeit- bzw. ereignisgesteuerte Automatisierung des Mischvorgangs mit vorwählbaren Positionen sowohl in der Höhe als auch im Winkel des zur Mischpropellerachse koaxialen Rührstrahls ermöglichen und damit das Entstehen von Totzonen zuverlässig und ahne manuellen Aufwand verhindern.
- • eine kostengünstige Serienfertigung ermöglichen
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Beschreibung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Höhenverstellung lediglich über an Gelenkelementen angebrachte Arme erfolgt und die Versorgungsleitungen in den Schwenkarmen fest verlegt sind und somit weder mit dem Gas noch mit dem Substrat in Berührung kommen. Ein oder mehrere Gelenkelemente mit daran angebrachten Gelenkarmen ermöglichen eine Höheneinstellung und eine fast beliebige Wahl der Strahlrichtung, wodurch Totzonen vermieden und entstandene Schwimmdecken wirkungsvoll aufgelöst werden können.
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Das Tauchrührwerk ist am letzten Schwenkarm vorteilhaft so angebracht, das der zur Mischpropellerachse koaxiale Rührstrahl einen Wirkabstand der Reaktionskraft des Strömungsimpulses zur jeweiligen Schwenkachse ergibt und das entstehende Drehmoment zur Verstellung verwendet werden kann.
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In einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind lösbare Blockierelemente in den Gelenkkonstruktionen untergebracht, die benachbarte Schwenkhebel bzw. die Lagerkonsole mit dem ersten Gelenkhebel starr miteinander verbinden. Damit wird eine vorbestimmte Position des Tauchrührwerks in der Höhe sowie die Strahlrichtung des Mischpropellers bestimmt.
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Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung kann in weitestgehend unveränderter Ausführung sowohl bei Behältern mit Betondecke oder Gashaube sowie für Anmaischbehälter, Vorgruben, Fermenter, Nachfermenter und Endlager zur Anwendung kommen und ermöglicht somit eine kostengünstige Serienfertigung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tauchrührwerk
- 2
- Gashaube
- 3
- Behälterwand
- 4
- erster Schwenkarm
- 5
- Lagerkonsole
- 6a
- Gelenkelement 1
- 6b
- Gelenkelement 2
- 6c
- Gelenkelement 3
- 7a
- Blockierelement 1
- 7b
- Blockierelement 2
- 7c
- Blockierelement 3
- 8
- zweiter Schwenkarm
- 9
- Flüssigkeits- bzw. Substratspiegel
- 10
- Schwenkwinkel um Achse A
- 11
- Schwenkwinkel um Achse B
- 12
- Schwenkwinkel um Achse C
- 13
- Behältersohle bzw. Behälterboden
- 14
- Horizontallage des ersten Schwenkarms
- 16
- Bodenkonsole
- 17
- Versorgungsleitung
- 18
- Wanddurchführung der Versorgungsleitung
- A
- Achse des ersten Gelenkelementes
- B
- Achse des zweiten Gelenkelementes
- C
- Achse des dritten Gelenkelementes
- a
- Abstand der Achse A zur Behälterwand
- b
- Abstand des ersten und zweiten Gelenkelementes
- c
- Wirkabstand des Strömungsimpulses zur Drehmoment-Generierung um die Achse B
- d
- Wirkabstand des Strömungsimpulses zur Drehmoment-Generierung um die Achse C
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In den nachfolgenden Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert, es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der Mischvorrichtung in der Seitenansicht mit der Draufsicht nach 2
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3 bis 8 weitere Anordnungen jeweils mit der entsprechenden Draufsicht zur Verdeutlichung der großen Variationsmöglichkeit der Achslagen und Schwenkhebel im Rahmen der Erfindung
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10 schematisch die Führung der Versorgungsleitungen
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11 und 12 eine schematische Schnittdarstellung in der Seitenansicht und Draufsicht einer weiteren Ausführungsform
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1 und 2 zeigen schematisch einen Biogasfermenter mit einem Behälter (3), einer Gashaube (2) und einer an der Innenseite des Behälters montierten Lagerkonsole (5) und einem ersten Gelenkelement (6a) mit einer annähernd horizontalen, zur Behälterwand etwa parallelen Achse A. In diesem Gelenkelement ist ein Blockierelement (7a) untergebracht, das eine bedarfsweise Arretierung des anschließenden ersten Schwenkarms (4) ermöglicht. Ein zweites Gelenkelement (6b) ist am anderen Ende des ersten Schwenkarmes ebenfalls so angebracht, das eine Schwenkung des daran anschließenden Gelenkarmes um eine zweite Achse B, die annähernd parallel zur ersten Achse ausgeführt ist, ermöglicht. In diesem Gelenkelement ist ebenfalls ein weiteres Blockierelement (7b) für eine bedarfsweise Arretierung des ersten zum zweiten Schwenkarm (8) untergebracht. Ein drittes Gelenkelement (6c) ist am Ende des zweiten Armes angebracht und ermöglicht eine Schwenkung des dritten Schwenkarmes um eine dritte Achse C. die mit der Längsachse des zweiten Armes zusammenfällt und sich somit orthogonal zur zweiten Achse erstreckt. Auch in diesem Gelenkelement ist ein Blockierelement (7c) angebracht, so dass auch der zweite und der dritte Schwenkarm zueinander blockiert werden können. Am Ende des dritten Armes ist das Tauchrührwerk (1) befestigt, das somit über die Gelenkkonstruktionen in allen drei Raumachsen verstellt werden kann. Die Länge der Arme ist so gewählt, dass der Aussenkreis des Mischpropellers des Tauchrührwerks in horizontaler Strahllage sowohl annähernd bis zur Behältersohle (13) als auch bis zur möglichen Füllhöhe des Behälters (9) reicht.
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Das Verstellmomente beispielsweise um die erste Achse A in der Schwenkbewegung (10), der Einfachheit halber in Strecklage des ersten und zweiten Schwenkarmes betrachtet, ergibt sich aus dem Produkt aus dem Wirkabstand (b + c) und der Reaktionskraft des Strömungsimpulses des Rührstrahles. Das maximal mögliche Moment wird erzielt, wenn die Schubrichtung senkrecht zur Achse A wirkt, das Tauchrührwerk zuvor entsprechend der Schwenkbewegung (12) um die Achse C also zuvor verschwenkt wurde.
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3 und 4 verdeutlichen die erfindungsgemäßen Möglichkeiten bei unterschiedlicher Anordnung der Gelenkachsen. Die Achse B des zweiten Gelenkelementes (6b) fällt mit der Längsachse des ersten Schwenkarms zusammen und der zweite Schwenkarm bewegt sich auf einer zu dieser orthogonalen Ebene. Im Ergebnis können damit beliebige Winkel der Strahlachse zur Horizontalen eingestellt werden.
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5 und 6 zeigen eine weitere bevorzugte Variante. Zur Reduzierung der Investitionskosten sind hier nur zwei Gelenkachsen (6a und 6b) vorgesehen. Die bevorzugte Zirkularströmung ist in jeder Höhe im und gegen den Uhrzeigersinn erzielbar. Das Verstellmoment um die Achse A errechnet sich aus dem Wirkabstand zur Mischpropellerachse. Das maximal mögliche Verstellelement wirkt auch hier bei vorheriger Verschwenkung des Tauchrührwerks im Schwenkbereich (12) um die Achse B, bis die Schubrichtung senkrecht auf die Achse A wirkt.
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7 und 8 zeigen ebenfalls eine erfindungsgemäße Zweiachsen-Mischeinrichtung, wobei die erste Achse A in der Lagerkonsole (5) etwa vertikal ausgerichtet ist und die zweite Achse B orthogonal dazu angeordnet ist. Damit wird auch in diesem Fall in der höchsten und in der tiefsten Position eine Zirkularströmung in beiden Richtungen erzielbar, Zwischenpositionen ermöglichen eine Schrägstellung des Rührstrahls, wie sie beispielsweise beim Einsatz in der Nähe von Feststoffeinträgen nützlich sein könnte.
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9 zeigt die erfindungsgemäße Führung der Versorgungsleitungen am Beispiel der vorherigen Ausführung gemäß 3 und 4. Die Versorgungsleitung (17) wird flüssigkeitsdicht durch die Behälterwand (3, 18) geschützt in der Lagerkonsole (5) in das erste Gelenkelement (6a) geführt und anschließend im Innern des ersten Schwenkhebels (4), des zweiten Gelenkelements (6b) und des zweiten Schwenkarms (8) durch das Innere des dritten Gelenkelements (6c) und des zweiten Schwenkarms (8) zum Tauchrührwerk (1) geführt.
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10 und 11 zeigen in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Befestigung der Konsole im Abstand zur Behälterwand (3) auf der Behältersohle. Der Anbau aller zuvor gezeigten Variationen ist erfindungsgemäß möglich.
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Die Versorgungsleitung würde vorteilhafterweise in diesem Fall von der Konsole auf der Behältersohle entlang zur Wand und dann gasdicht durch diese hindurch geführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202009001118 [0015]
- DE 202008002576 [0015]
- DE 102007062563 [0015]
- DE 102007009451 [0021]
- DE 10009958 [0023]
- DE 202005017638 [0024]
- DE 102010014239 [0026]