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11Verfahren und Vorrichtung zur Anreicherung oder Trennung eines Gasgemisches"
~ Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Anreicherung oder
Trennung eines Gasgemisches.
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Bei den bekannten Verfahren wird die Trennung bzw. Anreicherung mit
Hilfe von Aggregatzustandsänderungen oder mit Ab- bzw. Adsorptionsverfahren bewerkstelligt.
Es ist auch bekannt, Gase durch chemische Reaktionen zu trennen bzw. anzureichern.
Ebenso sind Verfahren bekannt, die mit Hilfe von durchlässigen Membranen arbeiten.
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Die bekannten Verfahren erreichen die Gasanreicherung oder Gastrennung
teilweise nur indirekt und sind deshalb sehr aufwendig. Bestimmte Gasgemische können
dabei überhaupt nicht angereichert oder getrennt werden. Vielfach müssen die einzelnen
Gaskomponenten dabei verschiedene Umformungen durchlaufen, die wiederum weitere
Aufbereitungen erforderlich machen. Häufig müssenauch bestimmte Komponenten als
unbrauchbares Nebenprodukt ausgeschieden werden. Das bekannte direkte Verfahren,
die Trennung bzw.
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Anreicherung mit Hilfe von selektiv durchlässigen Membranen durchzuführen,
ist in der Anwendung sehr begrenzt und empfindlich.
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Die Erfindung bezweckt, ein Verfahren zu schaffen, das es erlaubt,
auf direkte und einfache Weise Gaskomponenten aus
einem Gasgemisch
heraus anzureichern oder zu trennen bzw.
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sie einem Gasgemisch zu entziehen, ohne daß das Gasgemisch oder einzelne
Komponenten einer Umwandlung oder sonstigen Veränderung unterworfen werden müssen.
Es ist ferner Zweck der Erfindung, eine einfache und zweckmäßige Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird ein Strom eines aus zwei oder mehreren Komponenten
zusammengesetzten Gasgemisches durch ein oder mehrere inhomogene und/oder homogene
Magnetfelder geleitet und unter Ausnutzung der unterschiedlichen dia- oder paramagnetischen
Eigenschaften der "Gaskomponenten in Teilströme zerlegt.
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Das Verfahren nach der Erfindung beruht darauf, daß alle Gasmoleküle
eines bestimmten Gases bestimmte dia- oder paramagnetische Eigenschaften haben,
wobei diese Eigenschaften von Gas zu Gas sehr unterschiedlich sein können.
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Auf diese Moleküle wird in einem Magnetfeld entsprechend ihrer magnetischen
Eigenschaften eine mehr oder weniger starke Richtkraft ausgeübt, die teilweise auch
noch temperaturabhängig ist.
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Bei einem Gasgemisch mit mehreren Komponenten sind die magnetischen
Eigenschaften der Komponenten unterschiedlich, so daß sich im Magnetfeld unterschiedliche
Richtkräfte ergeben, die Ursache für den Anreicherungs- bzw. Trennungseffekt sind,
wenn sie gegenüber sonstigen Strömungskräften überwiegen. Der Anreicherungs- bzw.
Trennungseffekt ist außer von Eigenschaften des Magnetfeldes und der Gastemperatur
auch stark von der Differenz der magnetischen Eigenschaften der verschiedenen, im
Gasgemisch enthaltenen Gasmoleküle abhängig und steigt mit diesen.
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Die durch die Magnete beeinflußten Gaskomponenten werden nach einem
Weiterbildungsgedanken'der Erfindung mittels elektrischer Heizung oder durch Blasen
bzw. Saugen zur Weiterverarbeitung aus dem Wirkbereich der Magnete in gewünschte
Richtungen gelenkt. Dabei kann ein Teil strom oder mehrere Teilströme der abgesonderten
angereicherten Gaskomponente nach Art einer Rückführung an günstiger Stelle im Bereich
des Magnetfeldes dem Gasgemischstrom wieder zugeführt werden. In gleicher Weise
läßt sich auch ein Teilstrom oder mehrere Teilströme des nicht abgelenkten Reststromes
durch Rückführung an günstiger Stelle dem Gasgemischstrom beimischen. Bei einem
Gasgemischstrom aus mindestens drei Komponenten mit unterschiedlichen magnetischen
Eigenschaften kann dieser durch mehrere hintereinanderliegende gleich oder ungleich
ausgebildete Magnetfelder geleitet und mehrfach aufgespalten werden. Zweckmäßigerweise
wird der Gasgemischstrom einer durch Umlenkung oder anderer Mittel herbeigeführten
Komprimierung und anschließender, noch im Bereich des Magnetfeldes erfolgenden Expandierung
unterworfen. Eine wirkungsvolle Trennung oder Anreicherung wird durch Parallel-
und/odcr 1ehrfachamwencun# der Verfahrensschritte erreicht. Bei bestimmten Gasgemischen
ist es zweckmäßig, diese vor der Anreicherung und/oder Trennung einer Erwärmungs-
oder Abkühlungsprozeß und/oder einem Reinigungs- oder Trocknungsprozeß zu unterwerfen.
Der Gasgemischstrom und die getrennten Teilströme sollen im Bereich des Magnetfeldes
und der Verzweigung in einer Translationsbewegung, die auch mit einer Rotationebewegung
kombiniert sein kann, gehalten werden. -e abgelenkte Gaskomponente 6der Gaskomponenten
werden durch das Magnetfeld aus dem Gasgemischstrom heraus#eführt und- dann vom
Magnetfeld gelöst
und getrennt abgeführt. Die abgelenkte Gaskomponente
bzw.
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die Gaskomponenten können auch durch das Magnetfeld im Gasgemischstrom
an einer bevorzugten Stelle gesammelt und dann gelöst und anschließend abgesondert
werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht
aus einem Führungskanal für das Gasgemisch, der mit Abzweigungen für die Gaskomponenten
versehen ist, wobei im Bereich der Abzweigungen oder in deren Nachbarschaft Permanent-
oder Elektromagnete angeordnetsind.
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Die Magnete können zum Führungskanal so orientiert sein, daß das Magnetfeld
symmetrisch oder auch unsymmetrisch zum Gasstrom ist. Es ist eine. Anordnung der
Magnete möglich, die ein in Richtung des Gasstromes verlaufendes Feld erzeugen.
Das Magnetfeld kann aber auch senkrecht zum Gasstrom orientiert sein oder einen
anderen Winkel mit diesem bilden. Zweckmäßigerweise sind in dem Führungskanal an
den Verzweigungsstellen durchlässige Trennschichten vorgesehen. Der Führungskanal
ist zweckmäßigerweise so ausgeführt, daß sein Querschnitt an der Eintrittsstelle
in den Magnetbereich kleingehalten ist. Zur Trennung der einzelnen Gaskomponenten
sind im Führungskanal Regeleinrichtungen und Stellglieder vorgesehen. Zur Erzeugung
einer Rotationsbewegung des Gasstromes sind Dralleinsätze im Führungskanal angeordnet,
die durch gewundene Flächen gebildet werden. Der Führungskanal kann auch durch Einsätze
in Doppel-' oder-Mehrfachrohre aufgeteilt sein. Je nach Anordnung der Magnete und
der Abzweigungen ist eine konische Verjüngung oder Erweiterung oder ein gleichbleibender
Führungskanalquerschnitt erforderlich.
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Anhand der Zeichnung sei die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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In Fig. la und 18 ist eine Vorrichtung zur Trennung von Gaskomponenten
im Prinzip dargestellt, wobei Fig. Ib einen Schnitt gemäß der Linie E-F nach Fig.
la wiedergibt. In Fig. 2a und 2b ist eine Variante der Anordnung nach Fig. Ia und
Ib wiedergegeben, wobei Fig. 2b einen Schnitt gemäß-der Linie E-F nach Fig. 2a darstellt.
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Fig. 3a und 3b zeigen eine Anordnung mit Einrichtung zur Komprimierung
und nachfolgender Expandierung des Gasstromes, wobei Fig. 3b einen Schnitt gemäß
der Linie E-F nach Fig. 3a wiedergibt. In Fig. 4a und 4b ist eine Vorrichtung mit
sich konisch erweiternden Führungskanal für den Gasstrom dargestellt. Fig. 4b ist
wieder eine Schnittdarstellung gemäß der Linie E-F nach Fig. 4a. Die Vorrichtung
nach Fig. 5a und 5b ist mit einem Dralleinsatz zur Erzeugung einer Rotationsbewegung
für den Gasstrom ausgerüstet. Fig. 5b ist eine Schnittdarstellung nach der XinieoE-F
von Fig. 5a. In Fig. 6a und 6b ist eine symmetrische Hagnetanordnung mit zentrischer
Abzweigungsleitung für die abzutrennende Gaskomponente wiedergegeben. Fig. 6b stellt
einen Schnitt gemäß der-Linie E-F nach Fig. 6a dar.
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Bei der Vorrichtung nach Fig. 7a und 7b ist ein ringförmiger mit
Dralleinrichtung im Magnetbereich versehener Führungskanal vorgesehen. Fig. 7b ist
eine Schnittdarstellung gemäß der Linie E-F nach Fig. 7a. In
Fig.
8a und 8b ist eine Vorrichtung dargestellt, bei der die Magnetanordnung in-bezug
auf den Führungskanal so orientiert ist, daß das Magnetfeld in Richtung des Gasstromes
verläuft. Fig. 8b zeigt eine um 900 gegenüber Fig. 8a versetzte Ansicht.
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Bei der Vorrichtung nach Fig. la und Ib ist ein Führungskanal 1 vorgesehen,
der mehrere hintereinanderliegende Abzweigungen 2, 3 und 4 aufweist. Die Abzweigungen
sind mit Hilfe einer gasdurchlässigen Trennschicht 5 von dem eigentlichen Führungskanal
getrennt. Im Bereich der Abzweigungen 2, 3 und 4 sind Magnete 6, 7 und 8 vorgesehen,
die mit ihren Polschuhen (in Fig. Ib sind Pol schuhe 8a und 8b des Magneten 8 dargestellt)
den im Querschnitt trapezförmigen Führungskanal 1 flankieren. Der Querschnitt des
Führungskanals verengt sich in der durch Pfeile anSedeuteten. Strömungsrichtung
des Gasgem5sches. Durch im Führungskanal.angeordnete Stellglieder C> kann die
Strönungsgeschwindigkeit und der Abscheidungsprozentsatz gerf werden. Stellglieder
2a, 3a und 4a sind auch in-dcn Abzweiungcn 2, 3 bzw 4 vorgesehen. Das in dem Führungskanal
1 strömende Gasgemisch QG wird infolge der marnetischen Eigenschaften der Gaskomponenten
unter dem Einfluß der Magnete 6, 7 und 8 zunindest teilweise in die einzelnen Komponenten
aufgespalten. QA ist die Gaskomponente, die sich am meisten durch das Magnetfeld
beeinflussen läßt und daher zuerst aus dem gasstrom austritt. Die Komponente QB
läßt sich weniger gut als beeinflussen und tritt daher später aus. Während QA bereits
deren die Abzweigung 2 abfließt, wird QR durch die Abzweigung 3 geleitet. QC ist
am wenigsten beeinflußbar und tritt daher erst dUrch die Abzielgung 4 aus dem Gasgemisch
aus.
Der Strömungsquerschnitt für das Gasgemisch QG ist oberhalb der Magnete relativ
schmal gehalten, wodurch eine bessere Gleichzeitigkeit beim Austritt aus dem Gesamt
strom an einem bestimmten Austrittsort erzielt wird.
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Bei der Ausführung nach Fig. 2a und.2b ist ein sich in Strömungsrichtung
konisch erweiternder Führungskanal 10 vorgesehen, der von Magneten 11, 12, 13 flankiert
wird.
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Die Magnete haben eine ähnliche Form wie die Magnete 6, 7 und 8 der
Anordnung nach Fig. 1a und. ib. Unterhalb der Magnete sind im Führungskanal in Strömungsrichtung
verlaufende Abzweigungen 14, 15, 16 und 17 vorgesehen. Am Eingang dieser Abzweigungen
sind Stellglieder 18 angebracht, die die Breite der Einmündungen in die Abzweigungen
variieren können. Wegen des sich erweiternden Strömungsquerschnittes muß das in
Richtung des eingezeichneten Pfeiles strömende Gasgemisch QG auch eine Querströmung
ausführen, ~w(j'bei sich die ursprüngliche Strömungsgeschwindigkeit verlangsamt.
Die Querströmung wird dabei im wesentlichen von den beeinflußbaren Komponenten unter
dem Einfluß der J#agnetfelder herbeigeführt. Es wird auch hierbei die Komponente
QA, die die stärksten magnetischen Eigenschafier aufweist, am weitesten abgelenkt,
so daß diese durch die am weitesten rechts liegende Abzweigung 17 abfließt. Dic
weniger stark magnetischen Komponenten QB, QC und die Rest strömung QR fließen durch
die Abzweigungen 16 bzw. 1' bzw. 14.
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Bei der Vorrichtung nach Fig. 3a und' 3b ist ein Führungskanal 20
vorgesehen, der im Bereich der Magneten 21, 22 einen Knick aufweist, so daß das
Gasgemisch eine änderung seiner Strömungsrichtung erfährt. Unterhalb der Magnete
gabelt sich der FUhrungskanal in zwei Kanäle 23 und 24.
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Es sind sowohl an der Gabelung des Hauptführungskanals als
auch
in den Abzweigkanälen Stellglieder 25 26 und 27 vorgesehen. Durch die Umlenkung
der Strömung im Fthrungskanal 20 ergibt sich eine leichte Verdichtung des Gasgemisches
im Bereich der Magnete, d. h., das Gasgemisch wird praktisch voll in das Magnetfeld
gebracht. Beim Weiterfließen normalisiert sich die Strömung und expandiert, so daß
wieder der-volle zur Verfügung stehende Querschnitt ausgenutzt wird. Dabei wirdxdie
beeinflußbare Komponente mehr im Magnetfeld gehalten als der Rest, so daß sich eine
Anreicherung ergibt. Diese angereicherte Komponente fließt über den Kanal 24 ab,
während der Rest QR durch den Kanal 23 geleitet wird.
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Die Anordnung nach Fig. 4a und 4b entspricht im wesentlichen der Anordnung
nach Fig. 2a und 2b. Der Führungskanal 30 ist hierbei so ausgebildet, daß die Magnete
31, 32 und 33 lediglich einen erweiterten Teil 30a des Führungskanals beeinflusen.
Hinter den Magneten in Strömungsrichtung des Gases gesehen, verzweigt sich der Führungskanal
wie bei der Ausführung nach Fig. 3a und 3b in zwei Teilkanäle 34 und 35. Sowohl
an der Gabelung als auch in den Teilkanälen sind Stellglieder 36 bzw. 37 bzw. 38
vorgesehen Die Vorrichtung nach Fig, 5a und 5b ist mit einem im Qüerschnitt kreisförmigen
Führungskanal 40 versehen, der sich in Strömungsrichtung im Bereich von Magneten
41 und 42 konisch verjüngt. Oberhalb dieser Verjüngung ist der Führungskanal mit
einem Dralleinsatz 43 versehen. Im Bereich der Magnete ist an dem Führungskanal
eine durch eine gasdurchlässige Trennschicht 44 vom Führungskanal getrennte Abzweigung
45 vorgesehen. Im Hauptkanal und in der Abzweigung sind wieder Stellglieder.46 und
47 vorgesehen.
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Der Drålleinsatz versetzt die Strömung des Gasgemisches in inRotation,
so daß jedes Gasmolekül mindestens einmal durch das Feld der unsymmetrisch angeordneten
Magnete geführt wird. Das Magnetfeld braucht daher nur über den halben Strömungsquerschnitt
zu reichen und kann entsprechend stärkersausgeführt werden.
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Fig. 6a und 6b zeigen ein Beispiel für die symmetrische Anordnung
des Magnetfeldes in bezug auf das strömende Gasgemisch. Der Führupkanal 50 ist im
Bereich von Magneten 51 und 52 mit einer Einschnürung versehen. Im Bereich der Magnete
ist ein zentral angeordnetes Abscheidungsröhr 53 eingebaut, das unterhalb der Magnete
aus dem Häuptführungskanal 50 herausführt. Dieses Abzweigungsrohr ist an seinem
Eingang mit einer gasdurchlässigen Schicht 54 von dem Hauptführungskanal getrennt.
Unterhalb der Magnetanordnung ist sowohl im Haupführungskanal 50 als auch im Abzweigrohr
je ein Stellglied 55 bzw 56 vorgesehen, Zentral im Abzweigrohr ist eine elektrische
Heizung 57 angebracht.
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Bei dieser Anordnung wird der Strömungsquerschnitt voll vom Magnetfeld
erfaßt und die abgelenkte Komponente in der Mitte, in der wegen der Polschunausbildung
das Magnetfeld am stärksten ist, abgeführt. Die abgelenkte Komponente QA wird mit
Hilfe der elektrischen Heizung aus dem Magnetfeld gelöst.
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Bei der Vorrichtung nach Fig. 7a und 7b ist ein Führungskanal 60 vorgesehen,
der sich im Bereich von symmetrisch zum Kanal angeordneten Magneten 61a, 61b und
62a, 62b erweitert. In dem erweiterten Teil ist ein zentral angeordneter Einsatz
63 vorgesehen, der den Kanal zu einem im Querschnitt ringförmigen Gebilde macht.
Zwischen dem Einsatz 63 und der Führungskanalwand sind Dralleinsätze 64 vorgesehen.
An den Führungskanal schließen sich im Bereich
der Magnete Abzweigungen
65 und 66 an, die durch gasdurchlässige Trennschichten 67 und 68 vom Führungskanal
getrennt sind. In den Abzweigungen sind ferner Heizdrähte 69 zur Ablösung der abgetrennten
Gaskomponente vorgesehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das ankommende Gasgemisch
QG auf mehrere kleinere Einheiten aufgeteilt, so daß ein besserer Wirkungsgrad erreicht
wird. Mit Hilfe der Dralleinrichtung wird das Gas in Rotation versetzt, so daß auch
hierbei mindestens jedes Gasmolekül einmal in ein Magnetfeld gerät. Mit Hilfe dieser-Konstruktion
wird erreicht, daß bei relativ großen Gasgemischourchsätzen das Magnetfeld in den
Abmessungen nicht zu groß wird. Das Magnetfeld reicht bis an den Einsatz im Führungskanal
heran, so daß garantiert ist, daß das starke Magnetfeld einmal von den Gasmolekülen
passiert wird. Da der Abstand vom äußersten Punkt des Magnetfeldes bis in den Raum
für die abgesonderte Komponente QA hinter der durchlässigen Trennschicht relativ
klein ist, werden die Wege, die die abgesonderten Gasmoleküle zurücklegen müssen,
kleingehalten, was sich auf den Wirkungsgrad auswirkt.
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In den Fig. 8a und 8b ist ein Ausführungsbeispiel-angegeben, bei dem
ein Magnet 71 in bezug auf einen Fiihrungskanal 70 so angccrdnet ist, daß das Magnetfeld
in bzw.
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parallel zur Strämungsrichtung des Gases verläuft. Der Führungskanal
70 ist mit Hilfe einer gasdurchlässigen Trennschicht 72 von einem zwischen den Polschuhen
des Magneten in den Führungskanal mündenden Abzweigkanal 73 getrennt. Im Bereich
des Magneten#ist im Abzweigkanal 7)7 eine elektrische Heizung 74 zum Herauslösen
der abgetrennten Komponente QA vorgesehen.
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Selbstverständlich lassen sich die in den Äusführungs bei spielen
angegebenen Vorrichtungen in geeigneter Weise kombinieren, so daß auch unter Verwendung
einer Rückführung ein Optimum an Wirkungsgrad erzielt wird. Das Herauslösen der
abgetrennten Gaskomponenten aus den Magnetfeldern kann wie bei einigen Beispielen
angeführt, mit Hilfe einer elektrischen Heizung oder aber auch durch anderweitige
Erwärmung des Gases oder durch normale Strömung erfolgen.
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Bei Rückführung der angereicherten Teilströme in das noch zu trennende
Gasgemisch wird das ungetrennte Gasgemisch unter dem Einfluß des Magnet feldes durch
die bereits angereicherte Komponente teilweise ausgewaschen, was die Abscheidung
erleichert.
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Der Grad der Anreicherung der Komponenten wird insbesondere' auch
ubk3r die Strömungsverhältnisse an der Gasverzweigung beeinflußt# Desxlalb sind
die Stellglieder in den abgehenden Leitungen vorgesehen, mit deren Hilfe sich ein
bestimmter Anreicherungsgrad über ein dynamisches Gleichgewicht der verzweigten
Gasvolumenströme einstellen läßt.
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Bei wechselnder Abnahme der angereicherten Gase wird der Anreicherungsgrad
zum Beispiel über eine Regelung auf ein gewünschtes Verhältnis der abgehenden Gasvolumenströme
gebracht; es kann aber auch eine direkte Regelung des Anreicherungsgrades des angereicherten
Nauptgases in der gewünschten Weise erfolgen.
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Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vor allen
Dingen darin zu sehen, daß hiermit eine Gasanreicherung bzw. -trennung auf direktem
Wege ohne Zwischenstufen und mit verhältnismäßig einfachen Mitteln erreicht werden
kann.