DE9201154U1 - Vorrichtung zum kontinuierlichen Einbringen von Gas in eine Flüssigkeit - Google Patents

Vorrichtung zum kontinuierlichen Einbringen von Gas in eine Flüssigkeit

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Description

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Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Einbringen von Gas in eine Flüssigkeit, insbesondere zur Wasserbelüftung, im wesentlichen bestehend aus einem rohrförmigen, in das Wasser bzw. Gewässer 5 eintauchbaren Körper mit einem innen axial verlaufenden und Luftöffnungen in de1" wandung aufweisenden Kanal, durch den im Betrieb der Vorrichtung Wasser unter Druck hindurchströmt und mit aus den Luftöffnungen in die Wasserströmung austretender Luft gemischt wird.
Vorrichtungen dieser Art werden zur Wasseraktivierung, zur Wasseraufbereitung, Flotation oder dgl. benutzt. Die Neuerung wird im folgenden jedoch nur in ihrer Anwendung bei der Wasserbelüftung in Teichen, die zur Fischzucht und Fischhaltung dienen können, sowie zur Aufbereitung von Abwässern dargestellt und erläutert.
Zur Wasserbelüftung wird Sauerstoff in das Wasser eingebracht, indem Luft in Form einer Vielzahl feiner Luftblasen mit dem Wasser vermischt wird. Je kleiner die Luftbläschen sind, je größer also das Verhältnis zwischen der Oberfläche zu dem Volumen der Luftblasen ist, desto höher ist der Anteil des Sauerstoffs, der vom Wasser aufgenommen werden kann. Denn die Verweilzeit und damit der Gasaustausch zum Wasser aus der Luftblase nimmt mit abnehmender Bläschengröße zu, da sehr kleine Luftbläschen nur einem geringen Auftrieb unterliegen.
Für das Einbringen von Luft in einen Wasserstrom werden verschiedene technische Lösungen angewendet. Kan benutzt beispielsweise poröse Röhrchen, die an ihrer einen Seite vom Wasser durchströmt werden und die auf ihrer anderen Seite über eine bestimmte Länge von aussen mit Druckluft beaufschlagt werden, die durch die
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poröse Wandung hindurchtritt und sich mit dem Wasser vermischt. Es ist jedoch auch bereits bekannt, eine Wasserströmung in einem axial in einem Körper verlaufenden Kanal über Luftöffnungen an der Innenwandung des Kanals mit Druckluft zu beaufschlagen, die in Form von Luftbläschen den Wasserstrom durchsetzt und auf diese Weise mit dem Wasser vermischt wird.
Die bisher bekanntgewordenen Vorrichtungen der vorstehenden Art erfordern jedoch einen relativ hohen Aufwand, und zwar sowohl in der Herstellung der Vorrichtung als auch vor allem im Betrieb aufgrund hoher Energiekosten.
Es besteht daher die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine einfache und kostengünstige Fertigung zuläßt und nur relativ geringe Betriebskosten erfordert. Darüberhinaus soll ein möglichst einfacher Aufbau sowie eine Vorrichtung erreicht werden, die sich durch Robustheit und Langlebigkeit auszeichnet.
Neuerungsgemäß wird zur Lösung dieser Aufgabe, und zwar ausgehend von der eingangs genannten bekannten Vorrichtung, vorgeschlagen, daß der Kanal in Strömungsrichtung aneinanderanschließend eine Düse, ein Rohr, einen Diffusor und eine plötzliche Erweiterung umfaßt und die Luftöffnungen für den Luftzutritt am Umfang des Rohres angeordnet sind.
Diese nenerungsgemäße Lösung ermöglicht einen einfachen konstruktiven Aufbau der Vorrichtung, indem der vom Wasser durchströmte Kanal nur aus einer Düse, einem Rohr, einem Diffusor und einer plötzlichen Erweiterung hinter diesem besteht, wobei die Düse, das Rohr und
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der Diffusor vorzugsweise eine durchgehende, einteilige Wandung aufweisen. Die dem Wasserstrom zuzuführende Luft wird in dem Rohrabschnitt über am Umfang des Rohres angeordnete Luftöffnungen zugeführt.
Der den Kanal umschließende Körper ist wahlweise an eine Wasserpumpe oder eine Wasserleitung, in der Wasser unter Druck zugeführt wird, anschließbar. Vorzugsweise werden zur Energieeinsparung und damit zur Betriebskostensenkung bereits vorhandene Einrichtungen der vorstehenden Art benutzt, an die die neuerungsgemäße Vorrichtung anschließbar ist.
In der Düse wird der Wasserdruck reduziert, so daß für die Zuführung der Luft im Rohr nur wenig oder überhaupt keine zusätzliche Energie, wie nachstehend noch erläutert wird, aufgewendet werden muß infolge eines günstigen Druckgefälles. In dem an das Rohr anschließenden Diffusor wird der in der Düse beschleunigte Wasserstrom wieder verzögert, um einen möglichst geringen Gesamtdruckverlust zu erreichen und den Bedarf an Elektroenergie gering zu halten. Da der Diffusor für die Verzögerung der Wasserströmung eine gewisse Weglänge benötigt, entsteht ein insgesamt rohrförmiger, langgestreckter Körper, aus dem der Wasserstrom mit einer bestimmten Bewegungsrichtung an der plötzlichen Erweiterung austritt, und durch die Wahl der Strahlrichtung und der Eintauchtiefe ist es deshalb möglich, den austretenden Wasserstrahl im Gewässer zur Erzeugung einer gewünschten Zirkulation des Wassers zu benutzen.
Im Sinne einer Betriebskostensenkung besteht ein wesentliches Merkmal einer Weiterbildung der Neuerung darin, daß die Düse an einen von einer Pumpe oder in anderer Weise erzeugten Wasserstrom und die Luftöffnungen
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an eine mit der Umgebungsluft in Verbindung stehende Luftleitung anschließbar sind und daß die Düse, das Rohr und die Luftöffnungen derart bemessen und zueinander angeordnet sind, daß im Bereich der Vorrichtung der Druck des Wasserstroms in der Düse auf Unterdruckniveau abge«er>kt und im Rohr aufgrund des Druckgefälles zwischen dem Wasserdruck und dem Luftdruck Luft durch die Luftöffnungen angesaugt und mit dem Wasserstrom vermischt wird.
Mit anderen Worten wird in dem Rohr ein beim Durchgang des Wasserstroms durch die Düse erzeugter Unterdruck in dem Rohr wirksam, durch den die Luft über eine Luftleitung hindurch in den Körper und dort über die Luftöffnungen in den Kanal hinein angesaugt wird, so daß keine Druckluftpumpe oder eine andere Druckluft erzeugende Vorrichtung gebraucht und betrieben werden muß. Dieser Vorteil wirkt sich sowohl auf die Anschaffungskosten der Belüftungsanlage als auch auf deren Betriebskosten günstig aus. Außerdem vereinfacht sich der Aufbau der Anlage, und mögliche Störquellen werden reduziert.
Durch die vorzugsweise ringsum am Umfang des Rohres angeordneten Luftöffnungen dringt die angesaugt Luft in Form von kleinen Bläschen in den Wasserstrom ein, so daß für den Gasaustausch zum Wasser eine relativ große Zutrittsfläche zur Verfügung steht.
Eine optimale Sauerstoffmenge läßt sich in den Wasserstrom einmischen, wenn nach einer neuerungsgemäßen Weiterbildung die Düse und das Roh1- derart ausgebildet sind, daß im Betrieb der Vorrichtung Kavitation im Rohr bzw. an den Luftöffnungen erzeugbar ist.
Außerdem ist vorteilhaft, wenn die Luftöffnungen am
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Umfang des Rohres derart verteilt sind, daß eine gleichmäßig am Umfang verteilte Luftmenge zuführbar ist.
Für die Anordnung, Verteilung und Ausbildung der Luft-Öffnungen sind verschiedene Lösungen möglich. So können die Lu f tö ff mangen i.tn Hinblick auf die Wasserströirmnc^- richtung in einer Querebene bzw. in radialer Richtung hierzu am Umfang des Rohres angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, daß die Luftöffnungen unter einem schrägen Winkel zur Wasserströmungsrichtung am Umfang des Rohres angeordnet sind.
Der Durchmesser der Luftöffnungen sollte für eine möglichst geringe Größe der Luftbläschen im Bereich von 0,2 bis 2 mm liegen.
Die Luftöffnungen können aus Bohrungen mit kreisrundem Querschnitt bestehen. Es ist jedoch auch möglich, einen ein- oder mehrteiligen Ringspalt am Umfang des Rohres als Luftöffnungen vorzusehen.
Neuerungsgemäß sollte das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Rohres im Bereich von 0,5 bis 1 liegen.
Damit die für den Einbringungswirkungsgrad erwünschte Kavitation die Innenwandung des Kanals auf Dauer nicht beschädigen kann, ist nach einer neuerungsgemäßen Weiterbildung vorgesehen, daß das Rohr und der Diffusor mindestens in dem stromabwärts hinter den Luftöffnungen gelegenen Bereich des Rohrs sowie in dem an das Rohr anschließenden Abschnitt c\es Diffusors mit einer kavitationsfesten Verkleidung z. B. als Einsatz in Form einer Buchse versehen sind.
Auch für die Zuführung der Luft zu den Luftöffnungen
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sind verschiedene Lösungen möglich. Neuerungsgemäß sollen die Luftöffnungen über Zwischenkanäle, die aus Bohrungen bestehen können, mit einer den Kanal längs eines Abschnitts umgebenden Ringkammer in dem Körper in Verbindung stehen, der an eine Luftleitung anschließbar ist.
Zweckmäßig ist an die Ringkammer eine Luftleitung anschließbar, die an ihrem im Betrieb der Vorrichtung über dem Wasserspiegel liegenden Ende mit einem Luftfilter und ggf. mit einem Drosselventil versehen ist. Der Luftfilter verhindert das Eindringen von Verunreinigungen in die Luftleitung und in die Ringkammer sowie insbesondere in die Zwischenkanäle und Luftöffnungen, während das Drosselventil eine Optimierung der Luftzufuhr ermöglicht.
Ein besonderer Vorteil der neuerungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß ihre Wirkungsweise nicht vom Vorhandensein eines starren Anlagenschemas abhängt, sondern daß die Vorrichtung in vielfältiger Weise in neu einzurichtende oder bereits vorhandene Anlagen einfügbar ist. Vorzugsweise soll der Körper der Vorrichtung mittels eines Flansches an eine Wasserpumpe oder an eine Wasserdruckleitung, die in den meisten Anlagen ohnehin gebraucht wird und vorhanden ist, insbesondere lösbar anschließbar sein. Die Lösbarkeit erleichtert das Auswechseln und Reinigen der Vorrichtung. Es ist jedoch auch möglich, daß der Körper der Vorrichtung in Wasserleitungen einsetzbar, also mit zwei Anschlußenden versehen ist. Auch für den konstruktiven Aufbau der Vorrichtung gibt es eine Reihe verschiedener Lösungen. Neuerungsgemäß soll der Körper im wesentlichen aus einem Innenkörper und einem auf den Innenkörper aufsetzbaren Außenkörper 5 bestehen, zwischen denen die Ringkammer für die Luft-
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zuführung gebildet ist.
Schließlich soll neuerungsgemäß die Lage des Körpers im Wasser mittels einer Halterung einstellbar sein.
Denn es ist vorteilhaft, wenn der rohrförmige Körper der Vorrichtung in Abhängigkeit von Wassertie^, Wasseroberfläche und Gewässermitte so ausgerichtet werden kann, daß eine gewünschte Zirkulation des Wassers entsteht und aufrechterhalten wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Neuerung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Gewässerbelüftungsanlage mit einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Einbringen von Luft in Wasser;
Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung einer in der Anlage gemäß Fig. 1 benutzten Belüftungsvorrichtung.
Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten Wasserbelüftungsanlage ist ein Gewässer 2 durch eine Böschung 1 eingefaßt. Über eine Wasserzuleitung 3, an deren oberen Ende eine Pumpe 4 angeschlossen ist, wird einem Körper 5 einer unterhalb des Wasserspiegels des Gewässers 2 angeordneten Belüftungsvorrichtung Wasser zugeführt und über eine Luftleitung 6, an deren oberem Ende ein Luftfilter 7 in Verbindung mit ainem Drosselventil angeschlossen ist, Umgebungs- bzw. Außenluft in den Wasserstrom eingebracht, so daß der am einen Ende in den Körper 5 eintretende Wasserstrom den Körper 5 am anderen Ende mit Luftsauerstoff vermischt wieder
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verläßt und auf diese Weise dem Gewässer 2 mit Sauerstoff angereichertes Wasser zuführt.
Der in der Anlage gemäß Fig. 1 unter der Wasseroberfläche in einer nicht dargestellten Halterung gehaltene Körper 5 besteht, wie in Fig. 2 dargestellt ist, aus einem rohrförmigen Innenkörper 9, auf den an einem Ende ein ebenfalls rohrförmiger Außenkörper 8 abdichtend aufgesetzt und befestigt ist. Der Innenkörper 9 besteht aus einem kavitationserosionsunempfindlichen Bronzematerial, und der Außenkörper 8 ist aus einer korrosionsfesten Alu-Legierung gefertigt.
Durch den Innenkörper 9 hindurch erstreckt sich ein allgemein mit 10 bezeichneter Kanal, der aus einer an der Einlaßseite gelegenen Düse 11, einem daran anschließenden Rohr 12 und einem Diffusor 13 besteht, an dessen Auslaß sich eine plötzliche Erweiterung 14 anschließt, die in dem gewählten Ausführungsbeispiel in dem den Körper 5 umgebenden Gewässer 2 liegt.
Zwischen dem Außenkörper 8 und dem Innenkörper 9 ist eine Ringkammer 19 in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise gebildet und beidseitig abgedichtet. Von der Ringkammer 19 erstreckt sich eine Vielzahl von Zwischenkanälen 25 radial zu dem inneren Umfang des Rohrs 12, wo die Mündungen der Zwischenkanäle 2 5 einen gleichmäßig am Rohrumfang verteilten Kranz aus Luftöffnungen 20 bilden, von denen in der Zeichnung der besseren Übersicht halber nur zwei dargestellt sind. Der Durchmesser der Luftöffnungen 20 beträgt 0,9 bis 2 mm.
Der Außenkörper 8 besteht an der Einlaßseite der Belüftungsvorrichtung aus einem Flansch 23 mit Bohrungen 5 24 für den Anschluß des Körpers 5 an eine Wasserleitung
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oder an eine Wasserpumpe oder dergleichen. In einer Ebene der Ringkammer 19 ist der Außenkörper 8 von einer mit Gewinde versehenen Anschlußbohrung 21 durchsetzt, in die eine Luftleitung 6 abdichtend einschraubbar ist für die Luftzuführung zur Ringkammer 19, wie der Pfeil 16 andeuten soll.
Im Betrieb der Belüftungsvorrichtung tritt der Wasserstrom, wie der Pfeil 15 verdeutlichen soll, auf der Einlaßseite in die Düse 11 ein, wo der Druck so weit abgesenkt wird, daß im Wasserstrom in dem sich anschliessenden Rohr 12 Unterdruck herrscht, so daß Außenluft über die Luftleitung 6 in die Ringkammer 19 und von dort über die Zwischenkanäle 25 und die Luftöffnungen 20 angesaugt und dort in Form kleinster Luftbläschen 22 aufgenommen wird. In dem kegelförmigen Diffusor wird das Wasser-Luftgemisch verzögert, der Druck im Wasserstrom steigt wieder, so daß die Bläschengröße noch weiter abnimmt. An der Auslaßseite tritt der mit Luft bzw. Luftsauerstoff versetzte Wasserstrom 17 aus und kann bei entsprechender Ausrichtung in der Horizontalen und Vertikalen zur Einleitung und Aufrechterhaltung einer erwünschten Zirkulation in dem Gewässer 2 eingesetzt werden.
Besonders viele und kleine Luftbläschen 22 entstehen, wenn im Rohr 12 Kavitation auftritt und die Luftzuführung über die Zwischenkanäle 25 und die Luftöffnungen 20 gleichmäßig am Umfang des Rohrs 12 erfolgt. Kavitation wird durch Optimierung des Verhältnisses zwischen dem Wasserstrom und der Geometrie der Düse 11 erreicht. Damit die Kanalwandung durch die Kavitation nicht einer Erosion ausgesetzt wird, wird zweckmäßig in dem mit 26 bezeichneten Kanalbereich, nämlich im Bereich des Rohrs 12 und dem sich anschließenden ersten Erweiterungsbereich
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des Diffusors 13, eine nicht dargestellte Buchse aus einem kavitationsfesten Werkstoff eingezogen.
Nachfolgend werden Daten eines typischen Ausführungsbeispiels einer neuerungsgemäßen Vorrichtung angegeben:
Masse des Innenkörpers aus kavitationserosionsunempfindlicher Bronze: ca. 8,7 kg.
Masse des Außenkörpers in korrosionsfester Alu-Legierung: ca. 1,8 kg
Düsengröße: 16 mm, größter Außendurchmesser 80 mm Wassernennstrom: 3,2 l/s (= ca. 11,5 m,/h) Druckabfall über den Strahlbelüfter im Auslegepunkt: 26,3 kPa bzw. 0,263 at. Lufteintrag: ca. 1,4 kg/h
Sauerstoffanteil: ca. 370 g/h (ausreichend für
ca. It Forellen)

Claims (16)

2946.9- - 1 - 02.01.1992 SCHUTZANSPRUCHE
1. Vorrichtung zum kontinuierlichen Einbringen von Gas in eine Flüssigkeit, insbesondere zur Wasserbelüftung, im wesentlichen bestehend aus einem rohrförmigen, in das Wasser bzw. Gewässer eintauchbaren Körper mit einem innen axial verlaufenden und Luftöffnungen in der Wandung aufweisenden Kanal, durch den im Betrieb der Vorrichtung Wasser unter Druck hindurchströmt und mit aus den Luftöffnungen in die Wasserströmung austretender Luft gemischt wird, dadurch gekennzeichnet , daß der Kanal (10) in Strömungsrichtung aneinander anschließend eine Düse (11), ein Rohr (12), einen Diffusor (13) und eine plötzliche Erweiterung (14) umfaßt und die Luftöffnungen (20) für den Luftzutritt am Umfang des Rohrs (12) angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Düse (11) an einen von einer Pumpe (4) oder in anderer Weise, beispielsweise durch ein ausreichendes Gefälle, erzeugten Wasserstrom und die Luftöffnungen (20) an eine mit der Umgebungsluft in Verbindung stehende Luftleitung (6) anschließbar sind und daß die Düse (11), das Rohr (12) und die Luftöffnungen (20) derart bemessen und zueinander angeordnet sind, daß im Bereich der Vorrichtung der Druck des Wasser-Stroms in der Düse (11) auf Unterdruckniveau abgesenkt und im Rohr (12) aufgrund des Druckgefälles zwischem dem Wasserdruck und dem Luftdruck Luft durch die Luftöffnungen (20) angesaugt und mit dem Wasserstrom vermischt wird.
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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Düse (11) und das Rohr (12) derart ausgebildet sind, daß im Betrieb der Vorrichtung Kavitation im Rohr (12) bzw. an den Luftöffnungen (20) erzeugbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Luftöffnungen (20) am Umfang des Rohrs (12) derart verteilt sind, daß eine gleichmäßig am Umfang verteilte Luftmenge zuführbar ist.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansrüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichne t, daß die Luftöffnungen (20) im Hinblick auf die Wasserströmungsrichtung in einer Querebene bzw. in radialer Richtung hierzu am Umfang des Rohres (12) angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Luftöffnungen (20) unter einem schrägen Winkel zur Wasserströmungsrichtung am Umfang des Rohres (12) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Durchmesser der Luftöffnungen (20) im Bereich von 0,2 bis 2 mm liegt.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Luftöffnungen (20) aus einem ein- oder mehrteiligen Ringspalt am Umfang des Rohres
(12) bestehen.
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9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Rohres (12) im Bereich 0,5 bis 1 liegt.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Rohr (12) und der Diffusor (13) mindestens in dem stromabwärts hinter den Luftöffnungen (20) gelegenen Bereich des Rohres (12) sowie in dem an das Rohr (12) anschließenden Abschnitt des kegelförmigen Diffusors (13) mit einer kavitationsfesten Verkleidung, z. B. als Einsatz in Form einer Buchse, versehen ist.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Luftöffnungen (20) über Zwischenkanäle (25), die insbesondere aus Bohrungen bestehen, mit einer den Kanal (10) längs eines Abschnitts umgebenden Ringkammer (19) in dem Körper (5) in Verbindung stehen, die an eine Luftleitung (6) anschließbar ist.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß eine Luftleitung (6) an die Ringkammer (19) anschließbar ist, die an ihrem im Betrieb der Vorrichtung über dem Wasserspiegel liegenden Ende mit einem Luftfilter (7) und ggf. mit einem Drosselventil versehen ist.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet ,
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daß der Körper (5) mittels eines Flansches (23) an eine Wasserpumpe oder an eine Wasserdruckleitung insbesondere lösbar anschließbar ist.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (5) in Wasserleitungen einsetzbar ist.
15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper (5) im wesentlichen aus einem Innenkörper (9) und einem auf den Innenkörper (9) aufsetzbaren Außenkörper (8) besteht, zwischen denen die Ringkammer (19) für die Luftzuführung gebildet und abgedichtet ist.
16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Lage des Körpers (5) im Wasser mittels einer Halterung einstellbar ist.
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