EP1915219A1 - Zweistoffzerstäubervorrichtung - Google Patents

Zweistoffzerstäubervorrichtung

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EP1915219A1
EP1915219A1 EP06762857A EP06762857A EP1915219A1 EP 1915219 A1 EP1915219 A1 EP 1915219A1 EP 06762857 A EP06762857 A EP 06762857A EP 06762857 A EP06762857 A EP 06762857A EP 1915219 A1 EP1915219 A1 EP 1915219A1
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EP
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gas
opening
liquid
mixing channel
atomizing device
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Nikolaos Zarzalis
Lambert Krebs
Emmanouil Pantouflas
Hans-Joachim Wiemer
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
    • F23D11/101—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet
    • F23D11/102—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet in an internal mixing chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
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    • B05B7/04—Spray pistols; Apparatus for discharge with arrangements for mixing liquids or other fluent materials before discharge
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    • B05B7/0475—Spray pistols; Apparatus for discharge with arrangements for mixing liquids or other fluent materials before discharge with arrangements for mixing one gas and one liquid with one inner conduit of liquid surrounded by an external conduit of gas upstream the mixing chamber with means for deflecting the peripheral gas flow towards the central liquid flow
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    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details
    • F23D11/38—Nozzles; Cleaning devices therefor

Definitions

  • the invention relates to a Zweistoffzerstaubervortechnische for the atomization of a liquid in a gas stream according to the first claim.
  • gas-assisted atomizers hereinafter referred to as dual-fluid atomizers.
  • the energy necessary for the atomization of the liquid is introduced via the gas (air, steam or inert gases), i. about the relative velocity between gas and liquid.
  • the liquid is injected directly into the gas stream and atomized by the gas flow.
  • the aforementioned atomiser group also includes internally mixing two-component atomizing devices with a coaxial fluidity template. They are usually distinguished by a rotationally symmetrical design of the atomizer assembly and have a mixing channel arranged in the device, in which the liquid feed and the gas supply extend and which in turn has an outlet opening to the environment. The atomized liquid-gas mixture exits the exit port as a finished product and is thus different from systems where atomization occurs outside the device (e.g., paint spray guns).
  • DE 35 25 161 A1 discloses a corresponding design of the mixing channel outlet of a device for atomizing the liquid or high-viscosity fuels.
  • the technique is to propose a universally applicable Zweistoffzerstau- baubvorraum, which does not have the aforementioned limitations and in particular an adaptation to itself during a continuous operation changing framework conditions such. allows the device temperature at the mixing channel wall.
  • An essential feature of the invention lies in the controllable adjustability of the Eindusungso réelle in its geometry, i. in its cross section and thus in its stromungsischen interpretation.
  • the measures of changes in the Stromungsverhaltnisse to be included in the concept of adjustability, which are changed by the means used for this, even if they do not attack directly on the Duseno Matt.
  • the channel cross-section changes not only at the Eindusungso réelle, but also in the upstream Gasbowung to Eindusungso réelle.
  • Fig.l a side sectional view of a first embodiment and 2 shows a side sectional view of an alternative embodiment.
  • Both embodiments of the two-component atomizing device comprise a liquid feed 1 in a preferably tubular liquid feed housing 2 with (distal-side) nozzle opening 3 and a gas feed 4 arranged concentrically around the liquid feed or the liquid feed housing, the nozzle opening ending in the gas feed.
  • a liquid feed 1 in a preferably tubular liquid feed housing 2 with (distal-side) nozzle opening 3 and a gas feed 4 arranged concentrically around the liquid feed or the liquid feed housing, the nozzle opening ending in the gas feed.
  • a gas branch 8 arranged concentrically with the aforementioned components is provided, which is separated from the gas supply 4 before an input of the liquid, i. branches off before reaching the Duseno réelle 3 and ausmundet in an annular Eindu- sungso réelle 11 at the exit opening 6.
  • the gas branches are realized, for example, by a plurality of concentrically arranged around the line of symmetry 7 holes 9 in the mixing channel housing 10.
  • the Eindusungso réelle 11 axially and preferably at an acute angle, i. parallel as far as technically feasible to the mixing channel wall 12 directly at and around the outlet opening 6, whereby a jacket flow 13 is formed around the atomized material mixture 14 occurring via the outlet opening (see Fig. 1) and the liquid film deposited on the mixing channel wall 12 is entrained becomes.
  • the means for adjusting comprise a sleeve nut 15 with bore 16, which is adjustable via a thread relative rotation on a thread 17 on the mixing channel housing 10.
  • Fig.l discloses compositions wherein the threaded screw cap 15 on its circumferential surface 19 a form gleichig fixable and movable ⁇ pro-regulation has twentieth
  • the profiling is preferably realized by a toothing, wherein the teeth in the operating state entwe- which is driven by a not shown form gleichig ah profiling attacking chain, belt or gear arrangement of an adjustment.
  • frictional engaging adjusting drives are also suitable, but the frictional engagement would have to be ensured in each operating state that occurs.
  • FIG. 2 shows by way of example means in which the threaded screw cap 15 is formed by a housing 18 for all other components (1 to 14) of the two-component atomizing nozzle.
  • an adjustment takes place via a rotation of either the aforementioned components of the two-substance nozzle in the stationary housing 18 or of the housing 18 on the thread 17 of the otherwise fixed two-component atomizer nozzle (components (1 to 14)).
  • the exit opening 11 can lie with the bore 16 on the same plane (eg in Fig.l) or be arranged offset (see Fig.2), wherein a change of these two states, which also determines the direction of Einstromungsutter by the aforementioned means while of ongoing operation is possible.
  • the core of the invention is only a part that is as low as possible and optimally adjustable in its volume flow during operation (about 10%, not more than 20%) of the atomizing gas in front of the mixing channel, ie before the contact of the gas with the liquid lead to the exit opening 11 coaxial annular gap 21.
  • the gas leaving the annular gap comes into contact outside the two-substance atomizer nozzle with the dripping of the channel wall film and tears it 1 , on.
  • the main advantage of this two-component atomizing device is that it optimally optimally sets the wall film occurring at the mixing channel wall, ie to atomize it effectively and at the same time economically.

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Abstract

Zweistoffzerstäubervorrichtung für die Zerstäubung einer Flüssigkeit in einem Gasstrom umfassend eine Flüssigkeitszufuhr (1) mit Düsenöffnung (3), ein konzentrisch um die Flüssigkeitszufuhr angeordnete Gaszufuhr (4), wobei die Düsenöffnung in der Gaszufuhr endet, einen rotationssymmetrische Mischkanal (5) in axialer Verlängerung zur Flüssigkeitszufuhr mit einer Austrittsöffnung (6), eine konzentrische Gasabzweigung (8) von der Gaszufuhr (4) vor der Düsenöffnung (3) sowie eine ringförmige Eindüsungsöffnung (11) an der Austrittsöffnung (6), die an die Gasabzweigung angeschlossen ist. Die Aufgabe liegt darin, eine universell einsetzbare Zweistoffzerstäubungsvorrichtung vorzuschlagen, die auch eine Anpassung an sich während eines kontinuierlichen Betriebs sich ändernden Rahmenbedingungen zulässt. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Mittel zur Verstellung des Querschnitts der Eindüsungsöf fnung (11) vorgesehen sind.

Description

Zwei s toffzer Staubervorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Zweistoffzerstaubervorrichtung für die Zerstäubung einer Flüssigkeit in einem Gasstrom gemäß des ersten Patentanspruchs .
Bei hohen Zerstaubungsanforderungen bezuglich Sprayqualltat, Durchsatz und Regelbereich werden gasgestutzte Zerstäuber, die im Folgenden als Zweistoffzerstaubervorrichtungen bezeichnet werden, eingesetzt. Dabei wird die für die Zerstäubung der Flüssigkeit notwendige Energie über das Gas (Luft, Dampf oder Inertgase) eingebracht, d.h. über die Relativgeschwindigkeit zwischen Gas und Flüssigkeit. Üblicherweise wird die Flüssigkeit direkt in den Gasstrom eingespritzt und durch die Gasstromung zerstaubt.
Zu der vorgenannten Zerstaubergruppe gehören auch innenmischende Zweistoffzerstaubervorrichtungen mit koaxialer Flussigkeitsvorlage. Sie zeichnen sich meist durch einen rotationssymmetrischen Aufbau des Zerstauberaufbaus aus und weisen einen in der Vorrichtung angeordnete Mischkanal aus, in der die Flussigkeitszufuhr und die Gaszufuhr ausmunden und die wiederum eine Austrittsoffnung zur Umgebung aufweist. Das zerstaubte Flussigkeits-Gas-Gemisch verlasst als fertiges Produkt die Austrittsoffnung und unterscheidet sich damit von Systemen, bei dem die Zerstäubung außerhalb der Vorrichtung stattfindet (z.B. bei Farbspritzpistolen) . Typische Vertreter der innenmischenden Zweistoffzerstaubervorrichtung sind Brenner für Verbrennungsanlagen wie z.B. Schweolbrenner oder Vorkammer-Dieselmotoren (Vorkammer= Mischkanal) .
Die große Anzahl von Einflussparametern und fehlende Informationen über die Spraycharakteristik erlauben keine zufrieden stellende Optimierung von Zweistoffzerstaubervorrichtung. Eines der bedeutendsten technischen Probleme das bei den heute eingesetzten innenmischenden Zerstaubervorrichtungen auftritt ist die Wandfilmbildung (Kanalbenet- zung) des Mischkanal. Bei bestimmten Betriebsbedingungen besteht die Wahrscheinlichkeit einer zu schnell ablaufenden Aufweitung des Flus- sigkeitsstrahls in dem Mischkanal innerhalb der Zerstaubervorrichtung und somit der Bildung eines Wandfilms im Austritt-skanal . Dieser Film wird mit der Strömung des Gas-Flussigkeits-Gemisch zur Austrittsoff- nung gedruckt und dort durch die Strömung als größere Tropfen mitgerissen. Insofern wird unmittelbar an der Austrittsoffnung ein Gas- stromungszustand angestrebt, der die Tropfen nicht nur mitreißt, sondern auch zerstaubt. Einer dieser Gasstromungszustande wird durch Eindusung eines Mantelgases für das austretende Gas-Flussigkeits- Gemisch realisiert.
In der DE 199 41 091 Al wird beispielhaft ein Heizolbrenner mit einer innnenmisehenden ZweistoffZerstäuberdüse beschrieben, bei der am Austritt aus dem Mischkanal eine zusatzliche ringförmige Gaseindusung vorgeschlagen wird.
Auch die DE 35 25 161 Al offenbart eine entsprechende Gestaltung des Mischkanalaustritts einer Vorrichtung zur Zerstäubung der flussigen oder hochviskosen Brennstoffe.
Die vorgenannten Vorrichtungen weisen jedoch keine direkte Regelung der Eindusungsoffnungen auf, die insbesondere eine wahrend des laufenden Betriebs, d.h. ohne Unterbrechung der Zerstäubung erfolgende Änderung der Dusengeometrie zulassen.
Bislang hat man die geometrischen Parameter von Zweistoffzerstau- bungsvorrichtungen mit oder ohne Eindusung in Bezug auf eine Betriebsbedingung (Gas zu Flussigkeitsverhaltnis, Weber-Zahl, Ohnesorge Zahl) eingestellt. Der wesentliche Nachteil jedoch dabei liegt darin, dass die auf diese Weise ausgelegte Zerstäuberdüse auch an die jeweiligen Betriebsbedingungen gebunden ist. Die eingesetzten innenmischenden Zweistoffzerstaubervorrichtungen weisen somit zwar keine Be¬ netzung des Mischkanals (Wandfilmbildung) für diese Betriebsbedingungen auf, sind aber dadurch auch beschrankt einsetzbar. Ihr Einsatzbe¬ reich ist also stark von den Betriebsbedingungen abhangig. Änderungen der Betriebsbedingungen, der Stoffeigenschaften, oder die Verwendung einer anderen Flüssigkeit kann sehr schnell dazu fuhren, dass eine bestimmte Düse für die Zerstäubung ungeeignet ist. Die Aufgabe der Erfindung liegt ausgehend vom genannten stand der
Technik darin, eine universell einsetzbare Zweistoffzerstau- bungsvorrichtung vorzuschlagen, die die vorgenannten Einschränkungen nicht aufweist und insbesondere auch eine Anpassung an sich wahrend eines kontinuierlichen Betriebs sich ändernden Rahmenbedingungen wie z.B. die Vorrichtungstemperatur an der Mischkanalwandung zulasst.
Die Aufgabe wird durch eine Zweistoffzerstaubervorrichtung mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelost. Unteranspruche geben bevorzugte Ausfuhrungsformen wieder.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt in der regelbaren Verstellbarkeit der Eindusungsoffnung in seiner Geometrie, d.h. in seinem Querschnitt und damit in seiner stromungstechnischen Auslegung. Dies umfasst den radialen Querschnitt und / oder den axialen Querschnitt (Stromungskanalprofil) , wobei der Begriff der regelbaren Verstellbarkeit sich in erster Linie auf Veränderungen an der Eindusungsoffnung konzentriert. Es liegt aber im Rahmen der Erfindung, auch die Maßnahmen der Veränderungen der Stromungsverhaltnisse an sich mit in den Begriff der Verstellbarkeit mit einzubeziehen, die durch die hierfür eingesetzten Mittel mit verändert werden, auch wenn sie nicht unmittelbar an der Dusenoffnung angreifen. Hierzu zahlt auch eine Änderung der Stromungsverhaltnisse (z.B. turbulente und laminare Stromungsbereiche, Sperrstromungen etc.) bei der Gasabzweigung oder bei bestimmten Umlenkungen, die sich naturlich mit dem Gegendruckverhaltnissen, einstellbar über die Geometrie der Eindusungsoffnung, andern. Ebenso ändert sich je nach Ausfuhrungsform auch der Kanalquerschnitt nicht nur an der Eindusungsoffnung, sondern auch in der vorgelagerten Gasfuhrung zur Eindusungsoffnung.
Die Erfindung wird anhand von Ausfuhrungsbeispielen und folgenden Figuren naher erläutert. Es zeigen
Fig.l eine seitliche Schnittdarstellung einer ersten Ausfuhrungsform sowie Fig.2 eine seitliche Schnittdarstellung einer alternativen Ausfuhrungsform.
Beide Ausfuhrungsformen der Zweistoffzerstaubervorrichtung umfassen eine Flussigkeitszufuhr 1 in einem bevorzugt rohrartigen Flussig- keitszufuhrgehause 2 mit (distalseitigem) Dusenoffnung 3 und ein konzentrisch um die Flussigkeitszufuhr bzw. des Flussigkeits- zufUhrgehäuse angeordnete Gaszufuhr 4, wobei die Dusenoffnung in der Gaszufuhr endet. In Verlängerung dieser Stoffzusammenfuhrung folgt stromabwärts (distal) der Mischkanal 5, in der sich die vorgenannten Stoffe (Gas und Flüssigkeit) vermischen und über eine (distalseitige) Austrittsoffnung 6 wieder verlassen. Flussigkeitszufuhr 1, Gaszufuhr 4, Mischkanal 5 und Austrittsoffnung 6 sind bevorzugt um eine Symmetrielinie 7 rotationssymmetrisch. Ferner ist eine konzentrisch zu den vorgenannten Komponenten angeordnete Gasabzweigung 8 vorgesehen, die von der Gaszufuhr 4 vor einer Eingabe der Flüssigkeit, d.h. vor Erreichen der Dusenoffnung 3 abzweigt und in eine ringförmige Eindu- sungsoffnung 11 an der Austrittsoffnung 6 ausmundet. In Fig.l und 2 sind die Gasabzweigungen beispielsweise durch eine Vielzahl von konzentrisch um die Symmetrielinie 7 angeordneten Bohrungen 9 im Misch- kanalgehause 10 realisiert. Die Eindusungsoffnung 11 mundet axial und bevorzugt in einem spitzen Winkel, d.h. parallel soweit technisch umsetzbar zur Mischkanalwandung 12 direkt an der und um die Austrittsoffnung 6 aus, wodurch eine Mantelstromung 13 um die über die Austrittsoffnung auftretende zerstaubte Stoffgemisch 14 entsteht (vgl. Fig.l) und die sich an der Mischkanalwandung 12 abgeschiedene Flus- sigkeitsfilm mitgerissen wird.
Die Mittel zur Verstellung umfassen eine Hulsenmutter 15 mit Bohrung 16, die über eine Gewinderelativdrehung auf einem Gewinde 17 auf dem Mischkanalgehäuse 10 verstellbar ist.
Fig.l offenbart Mittel, bei denen die Gewindeschraubkappe 15 an seiner Umfangsflache 19 eine formschlussig fixier- und bewegbare Profi¬ lierung 20 aufweist. Die Profilierung ist vorzugsweise durch eine Verzahnung realisiert, wobei die Verzahnung im Betriebszustand entwe- der durch eine nicht dargestellte formschlussig ah, die Profilierung angreifende Ketten-, Riemen- oder Zahnradanordnung eines Verstellantriebs angetrieben wird. Grundsatzlich eignen sich auch reibschlussig angreifende Verstellantriebe, wobei jedoch der Reibschluss bei jedem auftretenden Betriebszustand sicherzustellen wäre.
Fig.2 zeigt beispielhaft Mittel, bei denen die Gewindeschraubkappe 15 durch ein Gehäuse 18 für alle anderen Komponenten (1 bis 14) der ZweistoffZerstäuberdüse gebildet wird. Im laufenden Betrieb erfolgt eine Verstellung über eine Verdrehung entweder der vorgenannten Komponenten der Zweistoffduse im feststehenden Gehäuse 18 oder des Gehäuses 18 auf dem Gewinde 17 der ansonsten feststehenden Zweistoff- zerstäuberduse (Komponenten (1 bis 14)).
Die Austrittsoffnung 11 kann mit der Bohrung 16 auf gleicher Ebene liegen (z.B. in Fig.l) oder versetzt angeordnet sein (vgl. Fig.2) , wobei ein Wechsel dieser beiden Zustande, die auch maßgeblich die Einstromungsrichtung bestimmt, durch die vorgenannten Mittel wahrend des laufenden Betriebs ermoglichbar ist.
Ziel der neu entwickelten Zweistoffzerstaubervorrichtung ist dessen vom Betriebszustand unabhängige Einsatzmoglichkeit . Eine Auslegung der Ausfuhrungsbeispiele erfolgte nicht hinsichtlich einer Vermeidung der Mischkanalwandungsbenetzung z.B. durch Stromungsoptimierung bei der Zerstäubung, was eine Einschränkung des Einsatzbereiches fuhren wurde, sondern praktisch nur auf die Beseitigung der Benetzung wenn diese als Flussigkeitstropfen an der Austrittsoffnung auftritt. Dies hat den Vorteil, dass die Erzeugung des eigentlichen zerstaubten Stoffgemisches immer mit gleichen Paramteren erfolgt. Das Grundkonzept der innenmischenden Zweistoffzerstaubervorrichtung mit koaxialer Flussigkeitsvorlage bleibt dabei erhalten. Der Kern der Erfindung liegt darin, nur einen möglichst geringen und in seinem Volumenstrom wahrend des laufenden Betriebs optimal einstellbaren Teil (ca. 10 %, maximal 20 %) des Zerstaubungsgases vor dem Mischkanal, d.h. vor dem Kontakt des Gases mit der Flüssigkeit, in einem zu der Austrittsoff- nung 11 koaxialen Ringspalt 21 zu fuhren. Das aus dem Ringspalt austretende Gas kommt außerhalb der ZweistoffZerstäuberdüse in Kontakt mit dem von der Kanalwand abtropfenden Film und reißt ihn1, auf. Der wesentliche Vorteil dieser ZweistoffZerstäubervorrichtung liegt darin den auftretenden Wandfilm an der Mischkanalwandung auf besonders optimal eingestellt, d.h. effektiv und gleichzeitig wirtschaftlich zu zerstäuben.
Bezugszeichenliste
1 Flüssigkeitszufuhr
2 Flüssigkeitszufuhrgehäuse
3 Düsenöffnung
4 Gaszufuhr
5 Mischkanal
6 Austrittsöffnung
7 Syminetrielinie
8 Gasabzweigung
9 Bohrung
10 Mischkanalgehäuse
11 Eindüsungsöffnung
12 Mischkanalwandung
13 Mantelströmung
14 zerstäubte Stoffgemisch
15 Gewindeschraubkappe
16 Bohrung
17 Gewinde
18 Gehäuse
19 Umfangsfläche
20 Profilierung
21 Ringspalt

Claims

Patentansprüche :
1. ZweistoffZerstäubervorrichtung für die Zerstäubung einer Flüssigkeit in einem Gasstrom umfassend eine a) eine Flüssigkeitszufuhr (1) mit Düsenöffnung (3), b) ein konzentrisch um die Flüssigkeitszufuhr angeordnete Gaszufuhr (4), wobei die Düsenöffnung in der Gaszufuhr endet, c) einen rotationssymmetrische Mischkanal (5) in axialer Verlängerung zur Flüssigkeitszufuhr mit einer Austrittsöffnung (6) , d) eine konzentrische Gasabzweigung (8) von der Gaszufuhr (4) vor der Düsenöffnung (3) sowie e) eine ringförmige Eindüsungöffnung (11) an der Austrittsöffnung (6) , die an die Gasabzweigung angeschlossen ist, wobei f) Mittel zur Verstellung des Querschnitts der Eindüsungsöffnung
(11) vorgesehen sind.
2. ZweistoffZerstäubervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gasabzweigung (8) durch eine Anzahl konzentrisch verteilter Bohrungen (9) im Mischkanalgehäuse (10) gebildet ist
3. ZweistoffZerstäubervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel eine über eine Gewinderelativdrehung verstellbare Gewindeschraubkappe (15) mit zentraler die Austrittsöffnung (11) bildenden Bohrung (16) konzentrisch auf einem Gewinde (17) auf dem Mischkanalgehäuse (10) umfassen.
4. ZweistoffZerstäubervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Gewindeschraubkappe (15) durch ein Gehäuse (18) für alle anderen Komponenten der ZweistoffZerstäuberdüse gebildet wird.
5. ZweistoffZerstäubervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Gewindeschraubkappe (15) an seiner Umfangsflache (19) eine formschlüssig fixier- und bewegbare Profilierung (20) aufweist.
EP06762857A 2005-08-20 2006-07-27 Zweistoffzerstäubervorrichtung Active EP1915219B1 (de)

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