EP1926548A1 - Verfahren und vorrichtung für die anreicherung eines flüssigkeitsstroms mit einem gas - Google Patents

Verfahren und vorrichtung für die anreicherung eines flüssigkeitsstroms mit einem gas

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EP1926548A1
EP1926548A1 EP07730027A EP07730027A EP1926548A1 EP 1926548 A1 EP1926548 A1 EP 1926548A1 EP 07730027 A EP07730027 A EP 07730027A EP 07730027 A EP07730027 A EP 07730027A EP 1926548 A1 EP1926548 A1 EP 1926548A1
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EP
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gas
pressure
flow
liquid
regulator
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Uwe Sonnenrein
Carsten Brockmann
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Suto GmbH
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SUTO GmbH
BALDA SOLUTIONS DEUTSCHLAND GM
Balda Solutions Deutschland GmbH
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    • B01F35/83—Forming a predetermined ratio of the substances to be mixed by controlling the ratio of two or more flows, e.g. using flow sensing or flow controlling devices
    • B01F35/833—Flow control by valves, e.g. opening intermittently

Definitions

  • the present invention relates generally to a method and apparatus for the enrichment of a liquid stream with a gas. It relates in particular to a method and apparatus for the enrichment of a drinking water stream with carbon dioxide.
  • a carbonation of a liquid is mentioned, so it is generally meant the enrichment of the liquid with a gas.
  • the enrichment of a liquid, in particular water, with gaseous carbon dioxide is to be regarded as a comprehensive special case of the generally understood formulation.
  • An apparatus for the enrichment of drinking water with carbon dioxide in the continuous process is e.g. in WO 2004/024306.
  • a spill valve in the dispensing line and an additional pressure stabilizer in the continuous mixer itself In the gas supply line, a flow rate valve is further arranged, which is to keep constant the amount of gas fed into the continuous mixer per unit time.
  • the control includes a solenoid valve in the water connection and solenoid valve in the gas connection of the continuous mixer. Both solenoids are closed if a pressure switch in the bleed line detects a pressure increase beyond the working pressure. This is a relatively complex control technology whose coordination is also relatively complicated.
  • PCT / DE01 / 04128 is generally concerned with a feed component for a tubular continuous mixer with sieve inserts.
  • this document also seems to suggest to regulate the feed pressure of the gas in the continuous mixer depending on the water pressure.
  • a relatively complicated pressure regulating valve for the gas is presented. In practice, however, has shown that such a regulation of the feed pressure of the gas as a function of the water pressure, with strong water pressure fluctuations or small tap quantities but still does not ensure satisfactory carbonization.
  • Object of the present invention is to provide a method for enriching a To provide liquid flow with a gas which avoids the aforementioned problems.
  • Another object of the invention is to provide a device for enriching a liquid flow with a gas, which avoids the aforementioned problems.
  • the liquid stream is passed through a continuous mixer, the gas is fed into this continuous mixer, so that it mixes with the liquid stream, wherein the feed pressure of the gas is controlled so that the pressure difference between the liquid stream and the gas fed in is substantially constant ,
  • the flow rate of the liquid flow is kept constant by a flow rate regulator largely independent of fluctuations in the fluid pressure.
  • this device further comprises a downstream flow rate regulator (ie downstream of the continuous mixer) for keeping constant the flow rate of the liquid flow per unit time largely independent of pressure fluctuations in its inlet, ie both in the feed line of the liquid to be enriched with a gas , as well as the output side of the continuous mixer.
  • a downstream flow rate regulator ie downstream of the continuous mixer
  • the device is particularly suitable for household use. Especially because of its unproblematic operating and maintenance characteristics.
  • the result of the gas enrichment can in this case via the differential pressure between the liquid flow and the injected gas and / or the flow rate of the liquid flow and / or the properties of the continuous mixer, in particular the variation of the gap width in a flow mixer described below with nozzle chamber (eg according to the teaching of WO 2004/024306 Al) are influenced or firmly regulated.
  • the invention thus relates to a method for enriching a liquid with a gas, wherein the degree of enrichment is variable.
  • a preferred flow rate regulator comprises a throttle body arranged in a flow area of the flow rate regulator such that it reduces the flow area if the pressure in the liquid flowing therethrough increases and increases as the pressure in the liquid flowing through it decreases.
  • Such a flow regulator does not need separate sensors and power supply. It can easily be installed in a tap pipe or a tap.
  • a fixed or adjustable flow regulator can be used. With an adjustable flow regulator, it is also possible to influence the gas enrichment result by adjusting the flow rate.
  • the result of the gas enrichment ie the degree of carbonation
  • the degree of carbonation also via an adjustability of the differential pressure between the liquid flow and the injected gas and / or the properties of the continuous mixer, in particular the variation of the gap width in a flow mixer with nozzle chamber described below (For example, according to the teaching of WO 2004/024 306 Al) can be influenced.
  • This is particularly advantageous over prior known prior art carbonators in which variation of the degree of carbonation is achieved by simply mixing non-carbonated water with carbonated water in a variable mixing ratio. This is usually done by using a controller with solenoid valves, depending on the setting of the carbon dioxide different amounts of still water from a parallel line to the carbonated water in the outlet can get.
  • the throttle body of the flow regulator is an elastically deformable body which is deformable by the pressure acting on it.
  • the throttle body is an O-ring which is arranged in the passage to a central control body with longitudinal grooves such that it is deformable by the pressure difference between the water inlet side and water outlet side and pressed into the longitudinal grooves of the control body.
  • a preferred embodiment of the continuous mixer comprises a nozzle body and an adjoining mixing chamber.
  • the nozzle body has a nozzle ring gap and a gas injection nozzle arranged centrally with respect to the nozzle ring gap, wherein the connection for the liquid flow with the nozzle ring gap and the connection for the gas is connected to the gas injection nozzle.
  • the width of the nozzle ring gap is advantageously selectable or adjustable, so that one can influence the pressure of the liquid flow in the mixing chamber and thus the degree of carbonation by choosing or adjusting the nozzle ring gap.
  • this has a constant nozzle ring gap.
  • the degree of carbonation may then be e.g. via a variable flow rate regulator - as mentioned above - be varied.
  • a continuous mixer with a constant nozzle ring gap can be advantageously produced in plastic injection molding technology and thus allows the realization of relevant cost advantages.
  • variable flow rate regulator which can also be produced in plastic injection molding technology, infinitely adjustable carbonization results can be achieved at the lowest cost price.
  • the differential pressure valve disposed in the inlet of the continuous mixer i. the gas pressure regulator for regulating the gas pressure as a function of the liquid pressure, be created in plastic injection molding technology, which leads to a further reduction of production costs.
  • liquid or gas-carrying lines can be made completely or partially of plastic, especially in plastic injection molding technology can be created.
  • any combination of fixed / variable differential pressure regulators, continuous mixers, chokes, and / or flow rate controllers may also be used.
  • the gas pressure can generally be both above and below the pressure of the liquid, depending on the continuous mixer used.
  • the use of a continuous mixer according to the teaching of WO 2004/024 306 Al allows the setting of a gas pressure which is also below the pressure of the liquid. In this case, a particularly efficient gas enrichment with the smallest bubble formation can be achieved.
  • a device according to the invention is particularly suitable for the carbonation of drinking water.
  • the connection for the liquid flow is then normally connected to a drinking water line or to a storage tank and a downstream booster pump.
  • the connection for the gas is connected via the differential pressure regulator with a carbon dioxide bottle and the dispensing connection via the flow regulator with a nozzle.
  • FIG. 1 shows a simplified circuit diagram of a device according to the invention for the enrichment of a liquid flow with a gas.
  • the apparatus 10 shown in FIG. 1 has been developed in particular for the carbonation of drinking water in a continuous process at the end consumer or in restaurants. It comprises a water-side connection 12, a gas-side connection 14 and a dispensing connection 16.
  • the water-side connection 12 is connected to a drinking water line 18 via a drinking water filter 12, a backflow preventer 14 and a shut-off valve 16.
  • the gas-side connection 14 is connected via a shut-off valve 20 to a carbon dioxide container 22. closed, wherein the reference numeral 24 denotes a gas-side safety valve.
  • the dispensing connection 16 is equipped with a tap 26.
  • the actual carbonization, i. Enrichment of the drinking water with carbon dioxide is preferably carried out in a tubular continuous mixer 28 with a nozzle head 30, a mixing chamber 32 and a settling chamber 34.
  • the nozzle head 30 is advantageously designed as described in WO 2004/024 306 A1. Accordingly, it comprises a nozzle ring gap 36, which communicates with the water-side connection 12 via a water supply line 38, and gas injection nozzle 40, which is arranged in a central core 41 and communicates with the gas-side connection 14 via a gas supply line 42.
  • the width of the nozzle ring gap 36 can be adjusted advantageously, in the mixing chamber 32, the centrally injected gas mixes extremely efficiently with the surrounding water flow to a water-gas mixture.
  • micro-sieves 44 This mixture then advantageously flows via micro-sieves 44 into the settling chamber 34.
  • the micro-sieves 44 ensure a more homogeneous bubble formation in the liquid stream.
  • the size of the gas bubbles in the water flow can also be controlled via the mesh size of the micro-sieves 44.
  • the embodiment of the continuous mixer 20 shown in FIG. 1 has no pressure stabilizer at the outlet of the settling chamber 34. Rather, the gas-water mixture opens via a discharge opening 46 of the settling chamber 34 directly to a bleed line 48.
  • a pressure control valve 50 and a backflow preventer 52 are arranged in the gas supply line 42.
  • the pressure control valve 50 regulates the pressure difference between the gas in the gas supply line 42 and the water in the water supply line 38 to a constant setpoint, which may be zero in particular.
  • an actuator 54 actuator or diaphragm of the pressure regulating valve 50 is acted upon by the water pressure in the water supply line 38 and the gas pressure in the gas supply line 42. If the difference between the gas and water pressure exceeds a predetermined setpoint, the gas flow in the gas supply line 42 is throttled via a gas valve 56 connected to the actuator 54. If the difference between gas and water pressure falls below the predetermined setpoint value, then the gas valve 56 becomes opened again accordingly.
  • a constant desired value for the pressure difference can be predefined via a spring means 58, for example.
  • a spring means 58 By selecting the bias of the spring means 58, one can adjust the predetermined setpoint for the pressure difference; wherein, depending on the arrangement of the spring means 58, the gas pressure may be higher or lower than the water pressure.
  • a special case in this case is a pressure regulator with a pressure regulating piston which has a C 1 transformation ratio of 1: 1 and no spring means for prescribing a pressure difference.
  • a pressure regulator then ensures that the gas pressure in the gas supply line 42 is approximately equal to the water pressure in the water supply line 38.
  • a backflow preventer is shown, which ensures that no water penetrates into the gas supply line 42, for example, if the gas pressure in the gas supply line 42 falls below the water pressure in the flow mixer 28.
  • the latter is the case, for example, if the gas container is largely empty.
  • the puncture of the backflow preventer 52 can also be integrated with the pressure control valve 50. The latter also applies to the safety function of the safety valve 24 described above.
  • a simple flow rate regulator 60 is arranged, the flow rate of the drinking water flow in the dispensing line largely independent of pressure fluctuations, e.g. keeps constant in the fresh water supply.
  • Such simple flow rate regulators are based, for example, on the functional principle that an O-ring is arranged around a central regulating body with longitudinal grooves in a through-passage in such a way that it is deformed by the pressure difference between the water inlet side and the water outlet side and into the longitudinal groove. len of the control body is pressed. With increasing flow pressure (ie increasing flow or liter volume), the O-ring thus reduces the free flow cross-section of the longitudinal grooves in the central control body. With decreasing flow pressure (ie decreasing flow or liter amount), the O-ring returns to its original shape, whereby the free flow cross-section of the longitudinal grooves increases again.
  • Such "water saver inserts” are not only extremely inexpensive, but also long-term proven as standard inserts in sanitary fittings.In addition, these inserts can be very easily installed in the tap line 48 or the nozzle 26.
  • adjustable flow regulator central control body with the longitudinal grooves, for example conical and adjustable relative to the O-ring.

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Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG FÜR DIE ANREICHERUNG EINES FLÜSSIGKEITSSTROMS MIT EINEM GAS
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Anreicherung eines Flüssigkeitsstroms mit einem Gas. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren und Vorrichtung für die Anreicherung eines Trinkwasserstroms mit Kohlendioxid. Wenn im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung von einer Karbonisierung einer Flüssigkeit die Rede ist, so ist damit im Allgemeinen die Anreicherung der Flüssigkeit mit einem Gas gemeint. Die Anreicherung einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, mit gasförmigem Kohlendioxid ist dabei als mit umfasster Spezialfall der allgemein zu verstehenden Formulierung anzusehen.
Stand der Technik
Vorrichtungen für die Anreicherung von Trinkwasser mit Kohlendioxid (auch als Karbonisierung des Trinkwassers bezeichnet) sind seit langem bekannt. Bei den meisten dieser Vorrichtungen erfolgt die Karbonisierung des Trinkwassers in einem Vorratsbehälter, meistens als Karbonatorkessel bezeichnet. Karbonator- kessel sind mit Sensoren bestückt, die regelmäßig gewartet und ausgetauscht werden. Weiterhin sind in der Regel mehrere Magnetventile vorhanden. Die Wartungskosten während der Nutzungsdauer sind häufig höher als die Anschaffungskosten. Hinzu kommen häufig Hygieneprobleme durch die Anzahl der Bauteile in der Wasserführung sowie den Vorratsbehälter selbst aufgrund der geringen Strömung.
In letzter Zeit wurden jedoch auch Vorrichtungen entwickelt, um in Privathaushalten oder Gaststätten Leitungswasser im Durchlaufverfahren mit Kohlendioxid anzureichern. Bei diesem Durchlaufverfahren erfolgt die Karbonisierung in einem Durchlaufmischer, der unmittelbar an die Trinkwasserleitung angeschlossen ist. Im Vergleich zu klassischen Vorrichtungen mit Vorratsbehälter hat die Durchlauf- karbonisierung ohne Vorratsbehälter den Vorteil wesentlich kompakter, kostengünstiger und zudem auch hygienischer zu sein. Ein Nachteil der Durchlaufkarbonisierung ist jedoch, dass es sehr aufwendig ist, bei Druckschwankungen in der Trinkwasserleitung eine einwandfreie und gleichmäßige Karbonisierung zu erzielen. In der Regel werden bislang als Mischsyste- me Venturi- und Wasserstrahldüsen eingesetzt. Hier erfolgt der Übergang des Gases in das Wasser erst nach dem Mischen in der Zapfleitung. Die erforderlichen langen Zapfleitungen verursachen Hygieneprobleme und unterliegen meist aufwendiger Reinigung und Wartung.
Eine Vorrichtung zur Anreicherung von Trinkwasser mit Kohlendioxid im Durchlaufverfahren ist z.B. in der WO 2004/024306 beschrieben. In dieser Schrift schlägt man vor, den Druck im Durchlaufmischer mittels eines Überströmventils in der Zapfleitung und eines zusätzlichen Druckstabilisators im Durchlaufmischer selbst konstant zu halten. In der Gaszuleitung ist weiterhin ein Durchflussmen- genventil angeordnet, das die in den Durchlaufmischer pro Zeiteinheit eingespeiste Gasmenge konstant halten soll. Weiterhin umfasst die Regelung ein Magnetventil im Wasseranschluss und Magnetventil im Gasanschluss des Durchlaufmischers. Beide Magnetventile werden geschlossen, falls ein Druckwächter in der Zapfleitung einen Druckanstieg über den Arbeitsdruck hinaus feststellt. Es handelt sich hierbei um eine relativ aufwendige Regelungstechnik deren Abstimmung ebenfalls relativ kompliziert ist.
Die PCT/DE01/04128 befasst sich allgemein mit einem Einspeisungsbauteil für einen rohrförmigen Durchlaufmischer mit Siebeinsätzen. Insoweit verständlich, scheint diese Schrift auch vorzuschlagen, den Einspeisedruck des Gases in den Durchlaufmischer in Abhängigkeit des Wasserdrucks zu regeln. Es wird hierzu ein relativ kompliziertes Druckregelventil für das Gas vorgestellt. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass eine solche Regelung des Einspeisedrucks des Gases in Abhängigkeit des Wasserdrucks, bei starken Wasserdruckschwankungen oder kleinen Zapfmengen jedoch noch keine zufrieden stellende Karbonisierung gewährleistet.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Anreicherung eines Flüssigkeitsstroms mit einem Gas anzugeben, welches die vorgenannten Probleme vermeidet. Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Anreicherung eines Flüssigkeitsstroms mit einem Gas anzugeben, welche die vorgenannten Probleme vermeidet.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen beschrieben.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Flüssigkeitsstrom durch einen Durchlaufmischer geleitet, das Gas in diesen Durchlaufmischer eingespeist, so dass es sich hierin mit dem Flüssigkeitsstrom vermischt, wobei der Einspeisedruck des Gases derart geregelt wird, dass die Druckdifferenz zwischen dem Flüssigkeitsstrom und dem eingespeisten Gas weitgehend konstant ist.
Entsprechend einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Durchflussmenge des Flüssigkeitsstroms durch einen Durchflussmengenregler weitgehend unabhängig von Schwankungen des Flüssigkeitsdrucks konstant gehalten.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Umsetzen dieses Verfahrens umfasst: einen Durchlaufmischer, mit
a) einem Anschluss für den Flüssigkeitsstrom, b) einem Anschluss für das Gas und c) einem Entnahmeanschluss für den angereicherten Flüssigkeitsstrom;
sowie einen Gasdruckregler zum Regeln des Gasdrucks in Abhängigkeit des Flüssigkeitsdrucks (z.B. im Hauswassernetz oder bei Druckschwankungen, die durch eine Druckerhöhungspumpe (Karbonatorpumpe) hervorgerufen werden), derart dass die Druckdifferenz zwischen dem Flüssigkeitsstrom und dem eingespeisten Gas weitgehend konstant ist. Entsprechend einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst diese Vorrichtung weiterhin einen nachgeschalteten Durchflussmengenregler (d.h. stromabwärts des Durchlaufmischers) zum Konstanthalten der Durchflussmenge des Flüssigkeitsstroms pro Zeiteinheit weitgehend unabhängig von Druckschwankungen in dessen Zulauf, d.h. sowohl in der Speiseleitung der Flüssigkeit, die mit einem Gas anzureichern ist, als auch ausgangsseitig des Durchlaufmischers.
Durch die Kombination einer:
a) Konstanthaltung der Druckdifferenz zwischen dem Flüssigkeitsstrom (vornehmlich Trinkwasser) und dem eingespeisten Gas (vornehmlich Kohlendioxid) über eine Regelung des Gaseinspeisedrucks, und einer b) Konstanthaltung der Durchflussmenge des Flüssigkeitsstroms mittels eines Durchflussmengenreglers stromabwärts des Durchlaufmischers,
lässt sich ohne großen Regelaufwand eine sehr gleichmäßige und von Druckschwankungen unabhängige Gasanreichung erzielen, wobei die Anordnung aufgrund ihrer Durchströmgeschwindigkeit und Wasserführung weitestgehend wartungsfrei und hygienesicher ist. Insbesondere ergibt sich für die mit dem Gas angereicherte Flüssigkeit ein sehr gleichmäßiges Zapfbild.
Auch bei starken Druckschwankungen im Flüssigkeitsstrom, insbesondere auch während kurzen Zapfvorgängen, funktioniert die Gasanreicherung ohne irgendwelche Nachregulierung optimal. Die Vorrichtung ist insbesondere für den Haushaltsbereich geeignet. Vor allem wegen ihren unproblematischen Betriebs- und Wartungseigenschaften.
Das Resultat der Gasanreicherung kann hierbei über den Differenzdruck zwischen dem Flüssigkeitsstrom und dem eingespeisten Gas und / oder die Durchflussmenge des Flüssigkeitsstroms und / oder die Eigenschaften des Durchlaufmischers, insbesondere die Variation der Spaltweite in einem nachstehend beschriebenen Durchlaufmischer mit Düsenkammer (z.B. gemäß der Lehre der WO 2004/024306 Al) beeinflusst bzw. fest geregelt werden. In einer bevorzugten Weiterbildung betrifft die Erfindung somit ein Verfahren zur Anreicherung einer Flüssigkeit mit einem Gas, wobei der Anreicherungsgrad variabel ist. Ein bevorzugter Durchflussmengenregler umfasst einen Drosselkörper, der in einem Durchflussquerschnitt des Durchflussmengenreglers derart angeordnet ist, dass er den Durchflussquerschnitt verkleinert, falls der Druck in der ihn durchströmenden Flüssigkeit ansteigt, und denselben vergrößert, wenn der Druck in der ihn durchströmenden Flüssigkeit abfällt. Ein solcher Durchflussmengenregler braucht in der Tat keine separaten Sensoren und keine Energieversorgung. Er kann einfach in eine Zapfleitung oder einen Zapfhahn eingebaut werden. Es kann ein fest eingestellter oder ein einstellbarer Durchflussmengenregler zum Einsatz kommen. Mit einem einstellbaren Durchflussmengenregler hat man zusätzlich die Möglichkeit, durch Nachregulierung der Durchflussmenge das Resultat der Gasanreicherung zu beeinflussen.
Vorstehend war bereits darauf eingegangen worden, dass das Resultat der Gasanreicherung, d.h. der Karbonisierungsgrad, auch über eine Verstellbarkeit des Differenzdrucks zwischen dem Flüssigkeitsstrom und dem eingespeisten Gas und / oder den Eigenschaften des Durchlaufmischers, insbesondere die Variation der Spaltweite in einem nachstehend beschriebenen Durchlaufmischer mit Düsenkammer (z.B. gemäß der Lehre der WO 2004 / 024 306 Al) beeinflusst werden kann. Dies ist insbesondere gegenüber den aus dem Stand der Technik vorbekannten Karbonisatoren vorteilhaft, bei denen eine Variation des Karbonisie- rungsgrads durch einfaches Zumischen von nicht karbonisiertem Wasser zum karbonisierten Wasser in einem variablen Mischungsverhältnis erzielt wird. Das geschieht in der Regel durch den Einsatz einer Steuerung mit Magnetventilen, die je nach Einstellung des Kohlensäuregrades unterschiedlich viel stilles Wasser aus einer parallelen Leitung zum karbonisierten Wasser in den Auslauf gelangen lassen. Dieses geschieht vorzugsweise über eine Steuerung mit Taktung. Die Taktzahl bestimmt den Kohlensäuregehalt im Getränk. Erforderlich ist somit bei Karbonisatoren dieses Typs ein hoher technischer Aufwand, der mit einem hohen Wartungsaufwand verbunden ist. Der aufwendige Aufbau und die erforderliche Wartung bringt unvermeidlich Kostennachteile mit sich. Andererseits bestehen hygienische Nachteile, da die Gefahr besteht, dass das Leitungsnetz des nicht karbonisierten Wassers (stilles Wasser) über die Zapfstelle hoher Gefahr der Verkeimung ausgesetzt ist. Der Karbonisator gemäß der vorliegenden Erfindung hingegen weist eine solche zusätzliche Zufuhrleitung für stilles Wasser nicht auf, so dass der Nachteil des erhöhten technischen Aufwands grundsätzlich vermieden wird. Weiterhin ist praktisch das gesamte Wasser, welches bei Nichtgebrauch des erfindungsgemäßen Karbonisators in dessen Leitungen steht, karbonisiert und weist damit eine deutlich verringerte Neigung zur Keimbildung auf.
In einer besonders einfachen und zuverlässigen Ausführung ist der Drosselkörper des Durchflussmengenreglers ein elastisch verformbarer Körper, der durch den auf ihn einwirkenden Druck verformbar ist.
In einer besonders bewährten Ausführung ist der Drosselkörper ein O-Ring, der im Durchgangskanal um einen zentralen Regelkörper mit Längsrillen derart angeordnet ist, dass er durch den Druckunterschied zwischen Wassereintrittsseite und Wasseraustrittsseite verformbar und in die Längsrillen des Regelkörpers eindrückbar ist.
Mit steigendem Fließdruck (also steigender Durchflussmenge) verkleinert der O- Ring somit den Durchflussquerschnitt der Längsrillen des Regelkörpers. Bei sinkendem Fließdruck (also fallender Durchflussmenge) nimmt der O-Ring wieder seine ursprüngliche Form an, wodurch sich der Durchflussquerschnitt der Längsrillen des Regelkörpers wieder vergrößert. Insbesondere lässt sich ein solcher verstellbarer Durchflussmengenregler - wie aber auch ein anders aufgebauter variabler oder feststehender Durchflussmengenregler - vorteilhaft kostengünstig in Kunststoff-Spritzgusstechnik erstellen. Über einen verstellbaren Durchflussmengenregler, der stromabwärts des Durchflussmischers abgeordnet ist, lässt sich mit relativ geringer Veränderung der durchfließenden Litermenge eine sehr unterschiedliche Karbonisierleistung erzielen, die von stillem Wasser über „Medium" (mittlere Karbonisierung) bis „Classic" (starke Karbonisierung) reicht und die stufenlos individuell einstellbar ist.
Eine bevorzugte Ausführung des Durchlaufmischers umfasst einen Düsenkörper und eine daran anschließende Mischkammer. Der Düsenkörper weist einen Dü- senringspalt und eine zentral zum Düsenringspalt angeordnete Gaseinblasdüse auf, wobei der Anschluss für den Flüssigkeitsstrom mit dem Düsenringspalt und der Anschluss für das Gas mit der Gaseinblasdüse verbunden ist. Mit einem solchen Durchlaufmischer, zu dessen Aufbau sich der WO 2004 / 024306 Al weitere Einzelheiten entnehmen lassen, lassen sich mit relativ geringem Druckverlust sehr gute Karbonisierungsergebnisse erzielen.
Die Breite des Düsenringspalts ist vorteilhaft wählbar bzw. verstellbar, so dass man durch die Wahl oder das Verstellen des Düsenringspalts den Druck des Flüssigkeitsstroms in der Mischkammer und damit den Karbonisierungsgrad beeinflussen kann.
In einer alternativen Ausführung des Durchlaufmischers weist dieser einen konstanten Düsenringspalt auf. Der Karbonisierungsgrad kann dann z.B. über einen variablen Durchflussmengenregler - wie vorstehend erwähnt - variiert werden. Ein Durchlaufmischer mit konstantem Düsenringspalt lässt sich vorteilhaft in Kunststoff-Spritzgusstechnik erstellen und erlaubt somit die Realisierung relevanter Kostenvorteile.
In Kombination mit einem variablen Durchflussmengenregler, der ebenfalls in Kunststoff-Spritzgusstechnik erstellt werden kann, lassen sich so stufenlos einstellbare Karbonsierungsergebnisse bei geringsten Gestehungskosten realisieren.
Schließlich kann auch das im Zulauf des Durchlaufmischers angeordnete Differenzdruckventil, d.h. der Gasdruckregler zum Regeln des Gasdrucks in Abhängigkeit des Flüssigkeitsdrucks, in Kunststoff-Spritzgusstechnik erstellt werden, was zu einer weiteren Reduktion der Gestehungskosten führt.
Schließlich sei darauf hingewiesen, dass aufgrund der nicht zu hohen Drucke, die bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens z.B. in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auftreten, selbst die Flüssigkeits- bzw. Gasführenden Leitungen vollständig oder teilweise aus Kunststoff bestehen können, insbesondere in Kunststoff-Spritzgusstechnik erstellt sein können.
Werden möglichst viele der Komponenten :
a) Differenzdruckventil b) Durchlaufmischer c) (feststehender bzw. variabler) Durchflussmengenregler (stromabwärts des Durchlaufmischers) bzw. (feststehende bzw. variable) Drossel d) Flüssigkeits- bzw. Gasführende Leitungen e) Verbinder
in Kunststoff ausgeführt, so ist einerseits eine sehr hohe Integration mehrerer Komponenten in einem Bauteil möglich, andererseits können Verbindungsprobleme an Anschlussstellen zwischen einzelnen Komponenten und Leitungen minimiert werden. Beispielhaft sei hier eine Integration von Differenzdruckventil und Durchlaufmischer in einem Bauteil genannt, alternativ auch von Durchlaufmischer und Durchflussmengenregler bzw. variabler Drossel, insbesondere einschließlich der erforderlichen Verbindungsleitungen.
Weiterhin ist es auch möglich, den Durchlaufmischer sowie den Durchflussmengenregler bzw. die Drossel als feststehende - also nicht einstellbare - Teile auszuführen, und den Differenzdruckregler variabel auszugestalten. In dieser Ausgestaltung kann ein Benutzer über eine Variation des Differenzdrucks zwischen Flüssigkeit und eingespeistem Gas den Karbonisierungsgrad einstellen.
Schließlich können auch beliebige Kombinationen von feststehenden / variablen Differenzdruckreglern, Durchlaufmischern, Drosseln und / oder Durchlaufmengenreglern verwendet werden.
Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Vorrichtung ergeben sich, wenn die Druckdifferenz zwischen eingespeistem Gas und der Flüssigkeit auf etwa Null eingestellt ist. Auf diese Weise lässt sich zuverlässig die Ausbildung von Gasblasen in den dem Durchlaufmischer nachgeordneten Leitungen / Komponenten verhindern, wodurch ein sehr homogenes Zapfbild gewährleistet wird. Möglich ist dies beispielsweise mit dem im nachfolgenden Ausführungsbeispiel beschriebenen Durchlaufmischer mit feststehender Düsenkammer und Ringspalt. Weiterhin ist ein Betrieb mit einem im Wesentlichen verschwindenden Differenzdruck mit einem Durchlaufmischer gemäß der WO 2005 / 105 279 Al, deren Lehre wie auch die Lehre der WO 2004 / 024 306 Al durch diese Bezugnahme vollständig zur Lehre dieser Anmeldung hinzugefügt wird. Es sei aber darauf hingewiesen, dass ein Betrieb der Vorrichtung sowie eine Ausführung des Verfahrens auch bei einer von Null verschiedenen Druckdifferenz möglich sind. Der Gasdruck kann allgemein - abhängig vom verwendeten Durchlaufmischer - sowohl über als auch unter dem Druck der Flüssigkeit liegen. Insbesondere erlaubt die Verwendung eines Durchlaufmischers gemäß der Lehre der WO 2004 / 024 306 Al die Einstellung eines Gasdrucks, der auch unter dem Druck der Flüssigkeit liegt. In diesem Fall lässt sich eine besonders effiziente Gasanreicherung bei kleinster Blasenbildung erzielen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere für die Karbonisierung von Trinkwasser. Hierbei ist der Anschluss für den Flüssigkeitsstrom dann normalerweise mit einer Trinkwasserleitung oder mit einem Vorratsbehälter und einer nachgeschalteten Druckerhöhungspumpe verbunden. Der Anschluss für das Gas ist über den Differenzdruckregler mit einer Kohlendioxidflasche und der Zapfanschluss über den Durchflussmengenregler mit einem Zapfventil verbunden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung können der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung möglicher Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Figur 1 entnommen werden, welche ein vereinfachtes Schaltschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Anreicherung eines Flüssigkeitsstroms mit einem Gas zeigt.
Beschreibung einer/mehrerer Ausgestaltung(en) der Erfindung
Die in der Figur 1 gezeigte Vorrichtung 10 wurde insbesondere für die Karbonisierung von Trinkwasser im Durchlaufverfahren beim Endverbraucher oder in Gaststätten entwickelt. Sie umfasst einen wasserseitigen Anschluss 12, einen gasseitigen Anschluss 14 und einen Zapfanschluss 16. Der wasserseitige Anschluss 12 ist über einen Trinkwasserfilter 12, einen Rückflussverhinderer 14 und ein Absperrventil 16 an eine Trinkwasserleitung 18 angeschlossen. Der gasseitige Anschluss 14 ist über ein Absperrventil 20 an einen Kohlendioxidbehälter 22 an- geschlossen, wobei das Bezugszeichen 24 ein gasseitiges Sicherheitsventil bezeichnet. Der Zapfanschluss 16 ist mit einem Zapfhahn 26 ausgestattet.
Die eigentliche Karbonisierung, d.h. Anreicherung des Trinkwassers mit Kohlendioxid, erfolgt bevorzugt in einem rohrförmigen Durchlaufmischer 28 mit einem Düsenkopf 30, einer Mischkammer 32 und einer Beruhigungskammer 34. Der Düsenkopf 30 ist vorteilhaft, wie in der WO 2004 / 024 306 Al beschrieben ausgebildet. Er umfasst demnach einen Düsenringspalt 36, welcher über eine Wasserzuleitung 38 mit dem wasserseitigen Anschluss 12 in Verbindung steht, und Gaseinblasdüse 40, welche in einem zentralen Kern 41 angeordnet ist und über eine Gaszuleitung 42 mit dem gasseitigen Anschluss 14 in Verbindung steht. Die Breite des Düsenringspalt 36 lässt sich vorteilhaft verstellen, in der Mischkammer 32 vermischt sich das zentral eingeblasene Gas äußerst effizient mit dem umgebenden Wasserstrom zu einem Wasser-Gas-Gemisch. Dieses Gemisch strömt dann vorteilhaft über Mikrosiebe 44 in die Beruhigungskammer 34 über. Die Mik- rosiebe 44 gewährleisten hierbei eine homogenere Blasenbildung im Flüssigkeitsstrom. Über die Maschenweite der Mikrosiebe 44 kann man zudem die Größe der Gasblasen im Wasserstrom steuern.
Im Gegensatz zu der in der WO 2004/024306 beschriebenen Ausführung des Durchlaufmischers weist die in Fig. 1 gezeigte Ausführung des Durchlaufmischers 20 keinen Druckstabilisator am Ausgang der Beruhigungskammer 34 auf. Das Gaswassergemisch mündet vielmehr über eine Austrittsöffnung 46 der Beruhigungskammer 34 unmittelbar h eine Zapfleitung 48.
In der Gaszuleitung 42 sind ein Druckregelventil 50 und ein Rückflussverhinderer 52 angeordnet. Das Druckregelventil 50 regelt die Druckdifferenz zwischen dem Gas in der Gaszuleitung 42 und dem Wasser in der Wasserzuleitung 38 auf einen konstanten Sollwert, der insbesondere Null sein kann. Hierzu wird ein Stellglied 54 (Kolben oder Membrane) des Druckregelventils 50 mit dem Wasserdruck in der Wasserzuleitung 38 und dem Gasdruck in der Gaszuleitung 42 beaufschlagt. Steigt die Differenz zwischen Gas- und Wasserdruck über einen vorgegebenen Sollwert, so wird der Gasstrom in der Gaszuleitung 42 über ein mit dem Stellorgan 54 verbundenes Gasventil 56 gedrosselt. Fällt die Differenz zwischen Gas- und Wasserdruck unter den vorgegebenen Sollwert, so wird das Gasventil 56 wieder entsprechend geöffnet. Ein konstanter Sollwert für die Druckdifferenz kann z.B. über ein Federmittel 58 vorgegebenen werden. Durch Wahl der Vorspannung des Federmittels 58, kann man den vorgegebenen Sollwert für die Druckdifferenz verstellen; wobei je nach Anordnung des Federmittels 58 der Gasdruck höher oder niedriger als der Wasserdruck sein kann.
Es ist jedoch ebenfalls möglich einen Druckregler mit einem fest eingestellten Druckdifferenz-Sollwert zu benutzen. Weiterhin ist es auch möglich, ganz auf das Federmittel zu verzichten, da Federmittel häufig herstellungsbedingt eine große Streuung aufweisen, vorzeitig ermüden oder brechen können und hygienische Nachteile mit sich bringen können.
Ein Spezialfall ist hierbei ein Druckregler mit einem Druckregelkolben der ein Cl- bersetzungsverhältnis von 1 : 1 und kein Federmittel zum Vorgeben einer Druckdifferenz aufweist. Ein solcher Druckregler gewährleistet dann, dass der Gasdruck in der Gaszuleitung 42 ungefähr gleich dem Wasserdruck in der Wasserzuleitung 38 ist. Er weist darüber hinaus hygienische Vorteile gegenüber solchen Druckreglern auf, die Federmittel aufweisen, da bei diesen das Federmittel häufig mit Flüssigkeit in Berührung kommt und somit eine Quelle für Keimbildung sein kann.
Will man bei diesem Druckregler einen (dynamischen) Wasserdruck im Durchlaufmischer 28 einstellen, der niedriger als der Gasdruck im Durchlaufmischer 28 ist, so kann man z.B. die Breite des Düsenringspalts 36 verringern oder ein (verstellbares) Drosselventil (nicht gezeigt) in die Wasserzuleitung 38 zwischen den Druckregler 50 und den Durchlaufmischer 28 einbauen. Soll hingegen der Wasserdruck im Durchlaufmischer höher als der Gasdruck im Durchlaufmischer sein (dies kann z.B. der Fall bei einem Venturimischer sein), so kann man z.B. ein Drosselmittel (nicht gezeigt) in die Gasleitung 42 zwischen den Druckregler 50 und den Durchlaufmischer 28 einbauen. Solche Drosselmittel können z.B. Blenden und/oder Drosselventile sein.
Mit dem Bezugszeichen 52 ist ein Rückflussverhinderer gezeigt, welcher gewährleistet, dass kein Wasser in die Gaszuleitung 42 eindringt, falls z.B. der Gasdruck in der Gaszuleitung 42 unter den Wasserdruck im Durchlaufmischer 28 fällt. Letzteres ist z.B. der Fall, falls der Gasbehälter weitgehend leer ist. Selbstverständlich kann die Punktion des Rückflussverhinderer 52 auch an das Druckregelventil 50 integriert werden. Letzteres gilt ebenfalls für die weiter oben beschriebene Sicherheitsfunktion des Sicherheitsventils 24.
In der Zapfleitung 48 ist, stromabwärts des Durchlaufmischers 28, ein einfacher Durchflussmengenregler 60 angeordnet, der die Durchflussmenge des Trinkwas- serstroms in der Zapfleitung weitgehend unabhängig von Druckschwankungen z.B. in der Frischwasserzuführung konstant hält.
Durch die Kombination einer Konstanthaltung der Druckdifferenz zwischen dem Gas in der Gaszuleitung 42 und dem Wasser an der Wasserzuleitung 38 über eine Regelung des Gaseinspeisedrucks einerseits mit einer Konstanthaltung der Wasserdurchflussmenge in der Zapfleitung 48 mittels eines einfachen Durch- flussmengenreglers 60 andererseits lässt sich eine sehr gleichmäßige und stabile fest eingestellte Karbonisierung erzielen. Wird der Durchflussmengenregler verstellbar ausgeführt, so kann darüber hinaus der Karbonisierungsgrad vom Benutzer gewählt werden.
Auch bei starken Druckschwankungen in der Trinkwasserleitung, insbesondere auch während kurzen Zapfvorgängen, funktioniert die Karbonisierung ohne irgendwelche Nachregulierungen stets optimal.
Erstaunlicherweise wurde ebenfalls festgestellt, dass bereits mit sehr einfachen Durchflussmengenreglern, wie sie z.B. unter der Bezeichnung „Wassersparer" als Standard-Einsätze in Sanitärarmaturen eingesetzt werden, erstaunlich gute Resultate erzielt werden.
Die erzielten Resultate waren erstaunlicherweise sogar besser als mit aufwendigen wasserseitigen Druckreglungen, mit welchen man bisher versucht hat, einen konstanten Wasserdruck und/oder Gasdruck im Durchlaufmischer einzuregeln. Solche einfachen Durchflussmengenregler basieren z.B. auf dem Funktionsprinzip, dass in einem Durchgangskanal ein O-Ring um einen zentralen Regelkörper mit Längsrillen derart angeordnet ist, dass er durch den Druckunterschied zwischen Wassereintrittsseite und Wasseraustrittsseite verformt und in die Längsril- len des Regelkörpers gedrückt wird. Mit steigendem Fließdruck (also steigender Durchfluss- oder Litermenge), verkleinert der O-Ring somit den freien Durchflussquerschnitt der Längsrillen im zentralen Regelkörper. Bei sinkendem Fließdruck (also fallender Durchfluss- oder Litermenge), nimmt der O-Ring wieder seine ursprüngliche Form an, wodurch sich der freie Durchflussquerschnitt der Längsrillen wieder vergrößert.
Solche „Wassersparer-Einsätze" sind nicht nur äußerst kostengünstig, sondern als Standard-Einsätze in Sanitärarmaturen auch bereits langzeiterprobt. Zudem lassen sich diese Einsätze sehr einfach in die Zapfleitung 48 oder das Zapfventil 26 einbauen. Es gibt ebenfalls einstellbare Durchflussmengenregler. Bei Letzteren ist der zentrale Regelkörper mit den Längsrillen z.B. konisch ausgebildet und relativ zum O-Ring verstellbar.
Mit den Durchlaufmischern des vorbeschriebenen Typs der Fig. 1 wurden in ausgiebigen Tests außergewöhnlich gute Karbonisierungsresultate mit der kombinierten Differenzdruck-/Durchflussmengen-Regelung erzielt. Es ist jedoch davon auszugehen, dass auch bei anderen Durchlaufmischern, wie z.B. Venturimischern oder Durchlaufmischern mit Siebeinsätzen, durch die Kombination einer Konstanthaltung der Druckdifferenz zwischen dem Gas in der Gaszuleitung 42 und dem Wasser in der Wasserzuleitung 38 über eine Regelung des Gaseinspeisedrucks einerseits mit einer Konstanthaltung der Wasserdurchflussmenge in der Zapfleitung mittels eines einfachen Durchflussmengenreglers 60 andererseits eine wesentliche Verbesserung des Karbonisierungsresultats erzielt werden kann. Der Grad der Karbonisierung (die Karbonisierungsleistung) wird hierbei auf eine äußerst einfache Art und Weise, zuverlässig und stabil durch die Druckdifferenz zwischen dem Gas und dem Wasser im Durchlaufmischer 28 und durch die vom Durchflussmengenregler 60 vorgegebene Durchflussmenge eingestellt.
Beim Durchlaufmischer 28 hat man zudem die Möglichkeit über die verstellbare Breite des Düsenringspalts 36 auf die Karbonisierung einzuwirken.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren für die Anreicherung eines Flüssigkeitsstroms mit einem Gas, wobei : a. der Flüssigkeitsstrom durch einen Durchlaufmischer (28) geleitet wird; das Gas in diesen Durchlaufmischer (28) eingespeist wird, so dass es sich hierin mit dem Flüssigkeitsstrom vermischt; und b. der Einspeisedruck des Gases derart geregelt wird, dass die Druckdifferenz zwischen dem Flüssigkeitsstrom und dem eingespeisten Gas weitgehend konstant ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
c. die Durchflussmenge des Flüssigkeits- oder Wasserstroms weitgehend unabhängig von Schwankungen des Wasser- oder Flüssigkeitsdrucks konstant gehalten wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmenge des Flüssigkeitsstroms durch einen stromabwärts des Durchlaufmischers (28) angeordneten Durchflussmengenregler (60) konstant gehalten wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussmengenregler (60) verstellbar ist.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen dem Flüssigkeitsstrom und dem eingespeisten Gas verstellbar ist.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen dem Flüssigkeitsstrom und dem eingespeisten Gas im Wesentlichen Null beträgt.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmenge des Flüssigkeitsstroms durch eine stromaufwärts des Durch- laufmischers (28) angeordnete Drossel konstant gehalten wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel verstellbar ist.
8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrom durch einen rohrförmigen Durchlaufmischer (28) mit einem Düsenkopf (30), der einen Düsenringspalt (36) mit variabler Spaltweite aufweist, geleitet wird.
9. Vorrichtung für die Anreicherung eines Flüssigkeitsstroms mit einem Gas, umfassend : a. einen Durchlaufmischer (28) mit einem Anschluss für den Flüssigkeitsstrom (12), einem Anschluss für das Gas (14) und einem Ent- nahmeanschluss für den angereicherten Flüssigkeitsstrom (16); und b. einen Differenzdruckregler (50) zum Regeln des Gasdrucks in Abhängigkeit des Flüssigkeitsdrucks, derart dass die Druckdifferenz zwischen dem Flüssigkeitsstrom und dem eingespeisten Gas weitgehend konstant ist;
gekennzeichnet durch
c. einen Durchflussmengenregler (60) zum Konstanthalten der Durchflussmenge des Flüssigkeitsstroms weitgehend unabhängig von Druckschwankungen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Durchflussmengenregler (60) stromabwärts des Durchlaufmischers (28) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Durchflussmengenregler (60) einen Drosselköper umfasst, der in einem Durchflussquerschnitt des Durchflussmengenreglers derart angeordnet ist, dass er den Durchflussquerschnitt verkleinert, falls der Druck in der ihn durchströmenden Flüssigkeit ansteigt und denselben vergrößert, falls der Druck in der ihn durchströmenden Flüssigkeit abfällt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Drosselköper ein elastisch ver- formbarer Körper ist, der durch den auf ihn einwirkenden Differenzdruck verformbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Drosselköper ein O-Ring ist, der im Durchgangskanal um einen zentralen Regelkörper mit Längsrillen derart angeordnet ist, dass er durch den Druckunterschied zwischen Ein- und Austrittsseite des Flüssigkeitsstroms verformbar und in die Längsrillen des Regelkörpers eindrückbar ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der Durchlaufmischer (28) einen Düsenkopf (30) und eine daran anschließende Mischkammer (32) umfasst, und der Düsenkopf (30) einen Düsenringspalt (36) und eine zentral zum Düsenringspalt (36) angeordnete Gaseinblasdüse (40) aufweist, wobei der Anschluss für den Flüssigkeitsstrom (12) mit dem Düsenringspalt (36) und der Anschluss für das Gas (14) mit der Gaseinblasdüse (40) verbunden ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Breite des Düsenringspalts (36) verstellbar ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei der Differenzdruckregler (50) fest auf eine Druckdifferenz von etwa Null eingestellt ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei der Differenzdruckregler (50) und / oder der Durchflussmengenregler (60) einstellbar sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, wobei der Anschluss für den Flüssigkeitsstrom (12) mit einer Trinkwasserleitung (18) und der Anschluss für das Gas (14) über den Differenzdruckregler (50) mit einer Kohlendioxidflasche (22) verbunden sind, und der Zapfanschluss (16) über den Durchflussmengenregler (60) mit einem Zapfventil (26) verbunden ist.
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