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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verdunstung eines Teils
einer Schmutz-belasteten wässrigen
Flüssigkeit
oder derartiger Flüssigkeiten
als Wasserdampf mittels Sonnenenergie zur Bildung einer wässrigen
konzentrierten, zu entsorgenden Lösung, Emulsion und/oder Suspension
des Schmutzstoffes gemäß Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Derartige
Flüssigkeiten
fallen z.B. beim Waschen von Materialien und Teilen aller Art an,
die eine Wasserverschmutzung hinterlassen, z.B. in der Chemie, Galvanik,
beim Waschen von Metallteilen oder als ölhaltiges Wasser, die nicht
in das Abwasser-Netz eingeleitet werden darf.
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Eine
Vorrichtung unter Verwendung von Sonnenenergie zur Erzeugung eines
Kondensats aus einer zu reinigenden Flüssigkeit ist gemäß der
DE 42 17 802 C2 bekannt.
In dieser Vorrichtung wird über
einen solaren Durchlaufabsorber zu reinigende, in Verdampfungspfannen
eingeleitete Flüssigkeit
mittels eines zirkulierenden Mediums aufgeheizt. In den Verdampfungspfannen
sammelt sich dann eine noch nicht verdampfte Restflüssigkeit
mit den dort enthaltenen Verunreinigungen an.
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Des
weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens zur Gewinnung der Restflüssigkeit mit Schmutzstoff, welche
zu entsorgen ist, gemäß den Ansprüchen 2–11.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung gemäß der
DE 42 17 802 C2 sind insofern
nachteilig, als diese einen Autoklaven, also ein evakuierbaren Raum mit
Verdampfungspfannen für
die zu reinigende bzw. zu verdampfende Flüssigkeit sowie einen Kondensator
für die
anfallenden Flüssigkeitsdämpfe benötigen, wobei
die verbleibende Restflüssigkeit
mit den Verschmutzungen nur schwierig aus dem Autoklaven ausschleusbar
ist.
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Der
als solarer Absorber ausgebildete Durchlaufabsorber reicht im allgemeinen
nicht aus, um die zu verdampfende Flüssigkeit zu beheizen. Insofern
ist zusätzlich
ein Boiler zur Beheizung der Flüssigkeit
vorgesehen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht insofern darin, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zu schaffen, bei denen in einem einfachen Verfahrensgang
und mittels einfachen und kostengünstigen Mitteln Flüssigkeiten
mit einem Schmutzstoff durch Verdunstung sehr großer Anteile
Wasser auf einen kleinen Bruchteil der Menge konzentriert wird. Die
Konzentration/Verdunstung soll erst beendet werden, wenn die Viskosität zu hoch
wird. Die dem Schutzstoff enthaltenen konzentrierten Restflüssigkeiten
sind dann zu entsorgen.
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Es
soll wie bei dem Verfahren gemäß der
DE 42 17 802 C2 ,
bei dem das Kondensat aus der zu reinigenden Flüssigkeit kontinuierlich gewonnen
bzw. die Flüssigkeit
kontinuierlich verdampft wird, ebenfalls eine kontinuierliche Verfahrensführung weitgehend
möglich
sein.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist ein Verfahren gemäß Anspruch 1 vorgesehen. Es
werden flache Kollektoren mit einem großflächigen Kollektorboden und einer
großflächigen transparenten
Abdeckung verwendet, wobei das durch die transparente Abdeckung
einfallende Sonnenlicht in dem Kollektor aufgefangen und an die
zu verdampfende Flüssigkeit abgegeben
wird.
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Hierzu
sind in dem Kollektorgehäuse
in dessen Heiz- und Verdampferraum Einbauten in Form eines Vlieses,
eines Gittergewebes oder von Kunststoffmatten vorgesehen, durch
welche eine Verteilung der Flüssigkeit
weitgehend über
die gesamte Innenseite des Kollektorbodens und somit eine Verzögerung des
Abflusses der Flüssigkeit
erfolgen soll.
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Insofern
wird eine bessere Erwärmung
und Verdampfung der Flüssigkeit
erreicht. Dabei werden vorzugsweise diese Einbauten im Zellenaufbau
des Werkstoffes und/oder ihrer Farbgebung derart ausgebildet, dass
eine optimale Wärmeaufnahme
der Sonnenstrahlung und gute Abgabe der Wärme auf die verteilte Flüssigkeit
möglich
ist.
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Insofern
wird insbesondere ein Vlies mit einem Materialaufbau aus einem feinen
Kapillarsystem zur Wärmespeicherung
und zur Wärmeabgabe
verwendet.
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Es
findet eine isobare Wärmezuführung in den
Heiz- und Verdampferraum des Kollektors sowie in die dortigen Einbauten
sowie auch insbesondere Wärmeübertragung
auf die Flüssigkeiten
statt. Über die
vorzugsweise in einer Schrägen
von 30°–45° angeordneten
Kollektoren wird der sich in einem schmalen Spaltraum zwischen der
transparenten Abdeckung und dem Kollektorboden bildende Dampf nach
oben über
eine dortige Öffnung
unmittelbar nach außen
geführt,
während
von unten über
einen dortigen Einlass zum Kollektor Luft ebenfalls unter gleichen
Druck (Atmosphärendruck)
nachströmt.
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Die
am Kollektorboden unten ablaufenden nicht verdampften Flüssigkeiten
mit dem in der Konzentration erhöhten
Schmutzanteil werden über
eine am unteren Ende des Kollektorbodens verlaufende Längsrinne
unmittelbar aufgefangen und entweder zur Entsorgung abgeführt oder
zum oberen Teil des Kollektorbodens zur weiteren Erhöhung der
Konzentration des Schmutzanteils gepumpt und in einem nochmaligen
Verfahrensgang einer Erwärmung
und Verdampfung ausgesetzt.
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Das
Verfahren bedingt insofern keine Vakuumdestille, wobei es unter
bloßen
Atmosphärendruck betrieben
werden kann.
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Der
sich bildende Dampf aus Wasser und anderen Flüssigkeiten wird vorzugsweise
unmittelbar in die Atmosphäre
abgegeben, wobei insofern auch keine Vorrichtungen zur Kondensierung
des Dampfes (Kondensator) und auch kein Kondensatsammelbehälter anzulegen
sind.
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Zur
Durchführung
dieses Verfahrens ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 2–11 vorgesehen.
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Dabei
kann die Anordnung einzelner länglicher
vorfabrizierter solarer Flachkollektoren nebeneinander erfolgen,
welche vorzugsweise gemäß Anspruch
11 in Form eines schrägen
Verdunstungsdaches auf eine Dachunterkonstruktion aufgelegt sind, die
in einem Winkel von 30° bis
45° geneigt
ist und zur Lagerung der Flachkollektoren eine Tragekonstruktion
aus Holz oder Metall sowie eine geeignete trittfeste Wärmedämmung zur
Wärmeisolierung
aufweist. Auf diese Konstruktion werden dann die Flachkollektoren
unmittelbar nebeneinander aufgebracht und befestigt.
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Der
gesamte Dachaufbau kann auch aus einem einzigen zusammenhängenden
Kollektor gebildet werden, wobei zur Bildung des Kollektorgehäuses auf
die Wärmedämmung ein
oder mehrerer Stehfalzbleche als Abschluss aufgebracht werden und
auf dieses Dachblech dann der vorzugsweise als solarer Absorber
zur Erwärmung
der Flüssigkeiten
und deren Verdampfung dienende, feine Kapillare aufweisende Vlies
aufgebracht wird.
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Als
transparente Abdeckung des Vlieses dienen dann einzelne Glasscheiben
oder Doppelsteg-Platten, welche in geringem Abstand vom Stehfalzblech über- und
nebeneinander montiert werden, so dass sich hinter dieser Glasabdeckung
der benötigte
Spaltraum für
den aufsteigenden Dampf und die von unten nachströmende Luft
gebildet wird.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert.
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In
diesen zeigen:
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1:
Einen Schnitt durch den Grundaufbau der verwendeten Vorrichtung,
welche in einem Dachaufbau mit einer Neigung von ca. 30° integriert
ist; Die Zeichnung zeigt eine erste Ausführungsart bei der jahrzehnte übliche Sandwich-Dachplatten
z.B. eines „Hösch-Iso-Daches" verwendet und als
Unterschale auf eine übliche
Tragkonstruktion befestigt werden;
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2:
Einen Querschnitt senkrecht zu der in 1 gezeigten
Ebene des Dachaufbaus unter Darstellung einer Alternativen zur Bildung
des im Dach einzubauenden Kollektors, wobei ein übliches „Stegfalz-Dach" verwendet ist, welches
von unten, wie üblich
Wärmedämmung enthält, wobei
auf die Dachunterkonstruktion unmittelbar eine Tragekonstruktion aus
wärmedämmendem
Material zur Auflage kommt, welches mit Sicken auf der Außenseite
zur Einbringung von als Kollektorboden dienender, einzelner nebeneinander
anzulegender Stehfalzbleche versehen ist und vorspringende Lagerabschnitt
zur Auflage der beabstandeten transparenten Glasabdeckung aufweist;
Die
Dachplatten für
beide Dacharten nach 1 2 gibt es
handelsüblich
auch in Schwarz und Anthrazit. Diese von unten wärmegedämmten dunklen Dächer werden
jeweils mit einer losen Gewebe- oder Vlies-Bahn belegt, um das abfließende Wasser
auf der Fläche
zu verteilen und den Abfluss zu verzögern. Auf diese Weise genügt eine
Umwälzpumpe mit
extrem geringer Leistung. Es wird nur so viel gepumpt, dass die
Fläche
reichlich nass ist.
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Die
in 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen
zur Verdunstung eines Teils von Flüssigkeiten, welche einen Schmutzanteil
enthalten, als Wasserdampf mittels Sonnenenergie sind jeweils zum Einbau
in einer Dachschräge
ausgebildet.
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Sie
bestehen aus einem über
die gesamte Dachhöhe
durchgehenden einstückigen
flachen Kollektor (2,2'), welcher aus einem Kollektorboden
(3,3') bzw.
einzelnen über
die Breite des Daches seitlich aneinander angeordneten Stehfalzblechen
und einer in geringem Abstand davon gehaltenen, transparenten Abdeckung
(6) in Form einer über
die Höhe
des Daches durchgehenden Glasscheibe oder Stegplatte aus Plastik besteht.
Wie in 2 in der dort dargestellten Ausführungsform
gezeigt ist, kann über
die Breite des Daches die Abdeckung (6) aus mehreren aneinander
angesetzten Glasscheiben bestehen.
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Gemäß 1 wird
auf der Dachunterkonstruktion (16), welche aus Metall oder
Holzbalken gebildet ist (Dachneigung ca. 30°), eine Tragekonstruktion für den dort
aufzubringenden flachen Kollektor (2) aus Holz oder Metall
errichtet.
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Auf
diese Tragekonstruktion kommt dann eine trittfeste Wärmedämmung (19)
und auf diese das eigentliche Kollektorgehäuse. Dieses wird im vorliegenden
Fall aus einem über
die gesamte Höhe des
Daches durchgehenden Stehfalzblech (Kollektorboden (3))
gebildet sowie der in geringem Abstand dazu angeordneten äußeren transparenten
Abdeckung (6) aus einer Glasscheibe. In dem zwischen diesen
gebildeten Spaltraum (7) befindet sich der eigentliche
Heiz- und Verdampferraum des Kollektors. Das den Kollektorboden
bildende Stehfalzblech ist in dunklen Farben hergestellt, so dass
es eine gute Wärmeabsorbtion
besitzt. Auf dieses Blech wird dann ein Vlies (4) zur Verteilung
der Flüssigkeit über die
gesamte Breite des Kollektorbodens angeordnet. Insofern wird eine
Verzögerung
des Abflusses der Flüssigkeit
erreicht und eine bessere Übertragung der
durch die Glasscheibe eindringenden Sonnenstrahlung.
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Die
Flüssigkeit
kann über
den Vlies (4) oder ein Gitter-Gewebe zirkulieren, wobei
die Wärmeübertragung
auf kleine Flüssigkeitspartikel
erfolgt und damit die Flüssigkeit
leichter verdampft (solarer Absorber).
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Das
Vlies wird über
ein Flacheisen (17) am oberen Ende des Kollektors (2)
befestigt. An diesem oberen Ende läuft quer zum Kollektor eine
Wasserleitung (15) mit einzeln beabstandeten Öffnungen,
so dass sich ein Zufluss (5,a,b,c,d,e,f) für die zu verdunstende Flüssigkeiten
ergibt.
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Da
die als Glas- oder Kunststoffscheibe ausgebildete Abdeckung (6)
nach oben und unten keinen Abschluss zu der Unterkonstruktion (16)
bzw. zum unteren Kollektorboden (3) aufweist, ergibt sich
am oberen und unteren Ende der Glasscheibe und des Kollektorbodens
eine obere über
die Breite des Kollektors durchgehende Öffnung (8) und ein
unterer, ebenfalls über
die Breite des Kollektors durchgehender Einlass (9). Somit
kann Luft durch den Spaltraum (7) des Kollektors aufsteigen
und durch die Öffnung (8)
den Spaltraum zusammen mit dem gebildeten Wasserdampf verlassen
(Atmosphärendruck).
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Die Öffnung (8)
ist durch ein oben überstehendes
Anschlussprofil (18) abgedeckt, so dass Regenwasser nicht
in den Spaltraum (7) eindringen kann.
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Wie
in 1 gezeigt, befindet sich im Bereich unterhalb
des Daches eine Wasserwanne (13), aus welcher mittels einer
Umwälzpumpe
(14) die Flüssigkeit
mit der enthaltenden Verschmutzung gepumpt wird und über eine
Aufstiegsleitung (12) der Wasserleitung (13) zugeführt und
von dieser auf den oberen Rand des Kollektorbodens (3)
bzw. Stehfalzbleches aufgebracht wird.
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Die
auf dem Kollektorboden (3) ablaufende nicht verdampfende
Flüssigkeit
wird in einer unteren Längsrinne
(10) aufgefangen und über
ein Rücklaufrohr
(11) der Wasserwanne (13) zugeführt.
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Auf
diese Weise sammelt sich in der Wasserwanne (13) die Restflüssigkeit
an, welche mit einer erhöhten
Konzentration des Schmutzanteiles beladen ist.
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Eine
Entsorgung der Flüssigkeit
erfolgt insofern über
diese Wasserwanne (13).
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Das
aus der Wasserwanne (13) über die Umwälzpumpe (14) nach
oben gepumpte Wasser gelangt über
die horizontal quer über
den Kollektor (2) angeordnete Wasserleitung (15)
und den in Form von beabstandeten Löchern dort angelegten Zufluss (5,a,b,c,d,e,f)
auf den über
den Kollektorboden (3) liegenden Vlies (4) und
tränkt
dieses.
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In
Folge der Sonneneinstellung wird das Vlies und das aufgenommene
Wasser erwärmt,
so dass es teilweise verdunsten kann.
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Die
Verdunstung dient nicht einer möglichen „Reinigung" des Wassers, sondern
nur dazu, einen Großteil
(z.B. 30%–90%)
des reinen Wassers zu verdunsten. Es bleibt Wasser mit stark erhöhtem Schmutzanteil übrig, wobei
nur noch eine geringe Wassermenge gegeben ist, welche sich mit dem
enthaltenden Schmutzanteil entsorgen lässt. Die teuer zu entsorgende
Menge wird um 30–90%
reduziert.
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Es
gilt hier nicht den aufströmenden
Wasserdampf zu kondensieren oder zurückzugewinnen.
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Aufgrund
der Verteilung des Wassers über das
Vlies (4) auf die gesamte Blechfläche des Kollektorbodens (3)
und der damit verbundenen starken Verzögerung des Abflusses kann nicht
nur ein guter Wärmeaustausch
erzielt werden, sondern auch die Pumpen-Leistung klein gehalten
werden. Die in der Flüssigkeit
enthaltene Verschmutzung beeinträchtigt diese
Wirkung nicht.
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Die
verwendete Umwälzpumpe
dient nur dazu, das Wasser aus der Wasserwanne (13) in
die Wasserleitung (15) zu pumpen, also zur Erzeugung eines
minimalen notwendigen Wasserkreislaufes im Kollektor/Verdunster.
Erfindungsgemäß steigt
bereits die warme Luft unter der Glasabdeckung durch thermischen
Auftrieb nach oben und ins Freie, wobei insofern auch von unten über den
dortigen unteren Einlass Luft nachströmt.
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Sofern
sich an der Glas- oder Kunststoffscheibe der Abdeckung (6)
Kondenswasser bildet, tropft dieses mit dem Schmutzwasser zurück nach unten
in die dort angelegte Dachrinne (22) für Regenwasser.
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Durch
einen derartigen Effekt wird das Verfahren zur Bildung der Restflüssigkeit
mit dem ursprünglichen
Schmutzanteil nicht nachteilig beeinflusst.
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Der
Hauptsinn der Verwendung des Vlieses ist außer der Wärmeübertragung das Verteilen und Verzögern des
Abflusses des Wassers bei einem geringst möglichen „Filtereffekt". Insofern soll in
dem Vlies bzw. alternativ verwendeten Einbauten, wie ein grobes
Gitter-Gewebe oder Kunststoffmatten, keine Schmutzansammlung erfolgen.
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Entsprechend
sind diese Einbauten je nach Flüssigkeit
auszuwählen.
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Die
Rückstände von
belastetem Waschwasser, welches zum Reinigen verwendet wird, können entsorgt
werden, wobei Kosten zur Zeit von 150,-- EUR bis 180,-- EUR pro
m3 anfallen. Weil aber die zu entsorgende
Menge um 30–90%
reduziert wird mit diesem Verfahren, werden auch die Kosten für Transport
und Entsorgung entsprechend stark reduziert.
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Die
insgesamt anfallenden Kosten sind durch diese Erfindung relativ
gering verglichen mit den Kosten von Vakuum-Verdampfungsanlagen, welche
ebenfalls zum Verdampfen von Flüssigkeiten und
zur Konzentration der Restflüssigkeit
mit der Verschmutzung verwendet werden.
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Diese
Anlagen verbrauchen zudem viel Energie, während die Solar-Verdunstung
praktisch keine Energie verbraucht.
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- 1.
- Vorrichtung
zum Verdunsten von Flüssigkeiten
- 2,2'
- Kollektor
- 3,3'
- Kollektorboden,
Stehfalzblech/gemäß einem
Hösch-Iso-Dach
- 4,4'
- solarer
Absorber (Vlies, Gittergewebe)
- 5a,...f
- Zufluss
von Flüssigkeiten
- 6
- transparente
Abdeckung des Kollektors
- 7
- Spaltraum
zwischen der transparenten Abdeckung und dem Kollektor
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- boden
(Heiz- und Verdampferraum)
- 8
- oberer Öffnung des
Spaltraums
- 9
- unterer
Einlass am unteren Ende des Spaltraums
- 10
- Längsrinne
zum Auffangen der zurückgebliebenen
Flüssigkeiten
mit
-
- Schmutzanteil
- 11
- Rücklaufrohre
- 12
- Aufstiegsleitung
- 13
- Wassserwanne
- 14
- Umwälzpumpe
- 15
- Wasserleitung,
oberhalb des Kollektorbodens zur Versorgung des
-
- Zuflusses
(5a,...f) der zu verdampfenden Flüssigkeiten
- 16
- Dachunterkonstruktion
- 17
- Flacheisen
zur Befestigung des solaren Absorbers
- 18
- Anschlussprofile
- 19,19'
- Wärmeisolierung
- 20
- Auflager
für die
transparente Abdeckung (2)
- 21
- Sickenvorsprung
im Kollektorboden 3'
- 22
- Regen-Wasser-Rinne,
auch für
etwaiges Kondenswasser