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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdampfer in einem Arbeitskreisprozess, insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Kraftfahrzeuge werden heutzutage als Hauptantriebsquelle durch eine Verbrennungskraftmaschine angetrieben.
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Die Verbrennungskraftmaschine wandelt dabei im Kraftstoff enthaltene chemische Energie in mechanische Bewegung zu Fortbewegung um. Dabei ist der Verbrennungsvorgang auf den ideellen Carnot-Prozess begrenzt, so dass maximal 40% der im Kraftstoff enthaltenen Energie in Fortbewegung umgewandelt wird, der Rest in beim Verbrennungsvorgang entstehende Wärme, die über Reibungswärme über den Motorblock oder aber über im Abgas enthaltene Wärme abgegeben wird.
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Zur Wirkungsgradsteigerung hat sich hierzu in den letzten Jahren die Eingliederung eines Arbeitskreisprozesses etabliert, bei der in einem geschlossenen Arbeitskreis bestehend aus Verdampfer, Expansionsmaschine und Kondensator Wärme genutzt wird, um ein Arbeitsmedium zu verdampfen und an einer zusätzlichen Expansionsmaschine mechanische Energie beispielsweise zur Bereitstellung von elektrischem Strom oder dem Antrieb von Nebenaggregaten zur Verfügung zu stellen.
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Dabei hat es sich als vorteilig erwiesen, wenn nicht nur die im Abgas enthaltene Wärmeenergie genutzt wird, sondern eigene Verbrennungsaggregate eingesetzt werden, um den Arbeitskreisprozess zu betreiben. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der
EP 1 533 494 A2 bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik einen Verdampfer bereitzustellen, der in einem Arbeitskreisprozess einsetzbar ist und mit hoher Effizienz ein Arbeitsmedium verdampft, gleichzeitig jedoch eine einfache, robuste und kompakte Bauform besitzt.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verdampfer gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Der Verdampfer zur Überführung eines flüssigen Mediums in einen dampfförmigen Zustand wird insbesondere für einen thermodynamischen Arbeitsprozess bzw. Kreisprozess in einem Kraftfahrzeug genutzt, wobei der Verdampfer eine Brennkammer aufweist, wobei in der Brennkammer mit einem zugeführten Brennstoff ein Verbrennungsvorgang stattfindet, und die dabei entstehende Wärme für den Verdampfungsvorgang genutzt wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer ein zentral angeordnetes Flammrohr aufweist, wobei um das Flammrohr mindestens eine spiralförmige Verdampferleitung angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß besteht der Verdampfer aus einem zylinderförmigen Gehäuse, wobei in dem zylinderförmigen Gehäuse insbesondere zentral, im Wesentlichen mittig, geringfügig möglich auch außermittig ein Flammrohr angeordnet ist. In das Flammrohr wird ein Brennstoff mit Luft und/oder Sauerstoff eingeführt, der sich vor bzw. in dem Flammrohr derart entzündet, dass ein Verbrennungsvorgang stattfindet. Das Flammrohr selbst ist von einer spiralförmigen Verdampferleitung umgeben, die insbesondere um das Flammrohr gewickelt ist bzw. einen radialen Abstand zu dem Flammrohr aufweist.
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Das Brennstoffgemisch zum Stattfinden des Verbrennungsvorganges tritt aus dem Flammrohr dann wiederum aus und strömt durch die Rückströmkammer zurück. Die bei einem Verbrennungsvorgang entstehende Wärme wird dazu genutzt, dass durch die Verdampferleitung strömende zu erhitzende Medium für den Kreisprozess einer flüssigen Phase in eine zumindest teilweise dampfförmige Phase übergeht. Hierzu tritt das Medium in den Verdampfer auf einer Seite ein und ist insbesondere mit der Strömungsrichtung des Brennstoffgemisches im Gegenstromprinzip durch den Verdampfer strömend, so dass das Medium im fluiden Zustand eintritt und aufgrund der thermischen Einwirkung in einen zumindest teilweise dampfförmigen Zustand übergeht.
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Durch die spiralförmige Wicklung der Verdampferleitung wird insbesondere der Weg, den das zu erhitzende Medium für den Kreisprozess zurücklegt derart verlängert, dass es für einen möglichst langen Zeitraum der thermischen Einwirkung ausgesetzt ist und somit auch bei nur geringen Temperatureinwirkungen effektiv von dem flüssigen Aggregatzustand in einen zumindest teilweise dampfförmigen bzw. gasförmigen Aggregatzustand übergeht.
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Als erfindungswesentlicher Vorteil ist es somit vorgesehen, dass eine nur geringe thermische Einwirkung beim Verbrennungsvorgang notwendig ist, um eine hinreichende Verdampferleistung zu realisieren, wobei sich dies positiv auf die zum Einsatz kommenden Werkstoffe des Verdampfers auswirkt, so dass hier Werkstoffe eingesetzt werden können, die thermisch zwar nicht höchstbelastbar sind, dafür jedoch in der Verarbeitung und in den Materialkosten mithin den Anschaffungskosten deutlich günstiger sind, gegenüber Spezialwerkstoffen die hohen thermischen Belastungen von mitunter mehr als 1000°C dauerhaft standhalten. Darüber hinaus wird ein kompakter Bauraum des Verdampfers ermöglicht, insbesondere bezogen auf die Axialrichtung. Somit entsteht eine Bauraumersparnis.
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Somit ist eine durchschnittliche Verbrennungstemperatur von mitunter nur 300, 400 oder maximal 500°C ausreichend, um das Medium des Kreisprozesses entsprechend zumindest in den dampfförmigen Zustand zu überführen.
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Bevorzugt kommen für die Verdampferleitungen Edelstähle, beispielsweise Werkstoffe wie 1.4301 zum Einsatz. Für die Bauteile des Verdampfers, die der direkten Flammeinwirkung ausgesetzt sind, kommen hingegen Stähle mit höherer Versprödungsfestigkeit, beispielweise 1.4571, 1.4828 bzw. 1.4833 zum Einsatz. Die einzelnen vor- und nachbeschriebenen Bauteile des Verdampfers sind bevorzugt mit einem thermischen Fügeverfahren miteinander gekoppelt, wobei insbesondere ein Lötverfahren zum Einsatz kommt. Besonders bevorzugt wird Vakuumlöten angewandt, um insbesondere die einzelnen Komponenten gerade auch in den verdeckten Bereichen fluiddicht miteinander zu koppeln. Der Betriebsdruck sowohl im Kanal zum Führen des Verbrennungsvorganges, als auch in der Verdampferleitung, liegt zwischen ca. 10 und 30 bar, bevorzugt zwischen 15 und 25 bar. Die Druckfestigkeit des Systems ist hingegen auf 75 bis 100 bar ausgelegt, so dass eine dreifache Sicherheit gegeben ist.
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Der erfindungsgemäße Verdampfer ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante durch zwei spiralförmige Verdampferleitungen ausgebildet, die das Flammrohr umfassen und insbesondere drei Verdampferleitungen, die jeweils spiralförmig das Flammrohr umfassend angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die jeweiligen Flammrohre spiralförmig aufgewickelt sind und aneinandergesetzt sind. Eine erste Verdampferleitung ist somit in unmittelbarer bzw. mittelbarer Nähe des Flammrohres angeordnet, wobei die zweite spiralförmige Verdampferleitung dann die erste spiralförmige Verdampferleitung in Radialrichtung außenseitig umfasst, gefolgt wiederum von der dritten spiralförmig angeordneten Verdampferleitung. Zwischen den einzelnen Verdampferleitungen sind in Radialrichtung Abstände ausgebildet, durch die dann die Strömung des Verbrennungsgasgemisches strömt und dabei die Verdampferleitungen derart erhitzt, dass das in den Verdampferleitungen geführte Medium von einem flüssigen Zustand in einen dampfförmigen bzw. zumindest teilweise gasförmigen Zustand übergeht.
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Insbesondere ist der Verdampfer in einem zylinderförmigen Außengehäuse angeordnet, wobei in dem Außengehäuse die Verdampferleitung, insbesondere die drei Verdampferleitungen angeordnet sind, die sich spiralförmig um eine Mittellängsachse des Außengehäuses winden und zentral in dem Außengehäuse das Flammrohr angeordnet ist, wobei das Flammrohr sich in Längsrichtung abschnittsweise erstreckt.
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Insbesondere ist das Flammrohr über eine Länge des zylindrischen Gehäuses von 2/3 bis zu 4/5 sich erstreckend ausgebildet. Mithin tritt das Verbrennungsgemisch an einer Seite in das Flammrohr ein und der Verbrennungsvorgang beginnt bzw. ist bereits kurz vor Eintritt in das Flammrohr beginnend. Somit entsteht dann eine Flammenströmung, die durch das Flammrohr strömt und auf der der Einströmseite gegenüberliegenden Seite aus dem Flammrohr austritt. Da sich das Flammrohr nur über einen Teil der Länge des zylindrischen Außengehäuses erstreckt, bleibt somit ein freier Austrittsbereich, in dem die Flammenströmung dann auf einen Boden des zylindrischen Außengehäuses strömt bzw. prallt und von diesem bevorzugt umgelenkt wird.
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Hierzu ist dann weiterhin bevorzugt zwischen der Innenmantelfläche des Außengehäuses und der Außenmantelfläche der Verdampferleitung die Brennkammer ausgebildet. Weiterhin besonders bevorzugt ist zwischen der Außenmantelfläche des Flammrohres und der Innenmantelfläche des Außengehäuses eine Rückstromkammer ausgebildet, durch die die an dem Boden abprallende bzw. umgelenkte Flammströmung zurückströmt und dabei über die Außenmantelflächen der Verdampferleitungen strömt. Hierdurch wird das durch die Verdampferleitungen strömende zu erhitzende bzw. zu verdampfende Medium derart erhitzt, dass es in einen zumindest dampfförmigen Aggregatzustand überführt wird.
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Insbesondere ist der Boden des Außengehäuses derart ausgebildet, dass er ein Strömungsleitblech aufweist, welches eine Strömungsumlenkung der Flammströmung bzw. des Flammstrahls derart realisiert, dass dieser durch die Rückströmkammer wiederum durch den Verdampfer zurückströmt. Bevorzugt ist das Strömungsleitblech selbst dazu als Prallplatte zur Strömungsumkehr ausgebildet. Insbesondere ist die Prallplatte beschichtet, ganz besonders bevorzugt mit einem thermischen Spritzverfahren, um eine höhere Resistenz gegenüber der zu erwartenden thermischen Einwirkungen zu besitzen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist in der Rückströmkammer mindestens ein Schottblech angeordnet, insbesondere sind zwei, ganz besonders bevorzugt drei Schottbleche angeordnet. Die Schottbleche selbst sind dabei im Rahmen der Erfindung besonders bevorzugt derart angeordnet, dass sie orthogonal zur Mittellängsachse des Verdampfers verlaufen und insbesondere halbkreisförmig ausgebildet sind. Sie schotten somit eine halbe Querspannfläche zwischen Innenmantelfläche des Außengehäuses und Außenmantelfläche des Flammrohres ab und erzwingen eine weitere Strömungsumkehr der Flammströmung in der Rückströmkammer.
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Bezogen auf die Mittellängsachse des Verdampfers sind die Schottbleche versetzt angeordnet, so dass die Flammströmung bezogen auf die Mittellängsachse eine jeweils orthogonale Richtungsänderung erfährt. Erfindungsgemäß wird hierdurch der Strömungsweg und mithin die Verweildauer der heißen Flammströmung in dem Verdampfer erhöht, wodurch ein optimierter Wärmeeintrag und somit eine effektivere Verdampfung des zu verdampfenden Mediums erreicht wird. Hierzu sind die Schottbleche besonders bevorzugt in einem Winkel größer 0° von der Mittellängsachse angeordnet, um auch die Flammströmung durch das Schottblech in einem Winkel größer 0° zu der Mittellängsachse abzulenken. Bevorzugt erfolgt die Ablenkung in einem Winkelbereich von 20 bis 70, insbesondere 30 bis 60° zur Mittellängsachse.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist am Boden des Außengehäuses, insbesondere hinter der Prallplatte, ein Kanal ausgebildet, wobei das durch die Verdampferleitung geführte zu verdampfende Medium von der Verdampferleitung selbst in den Kanal geführt wird. Das zu verdampfende Medium ist bei Durchströmung durch die Verdampferleitung zumindest teilweise in einen dampfförmigen Aggregatzustand überführt. In dem Kanal selbst, insbesondere am Boden des Außengehäuses erfährt das zumindest teilweise verdampfte Medium dann nochmals eine starke Temperatureinwirkung, insbesondere aufgrund der Tatsache, dass der Kanal an der Rückseite der Prallplatte ausgebildet ist, an der eine starke Erwärmung durch den auftreffenden Flammenstrahl erreicht ist.
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Der Kanal ist weiterhin besonders bevorzugt als Trennkanal zur Trennung der dampfförmigen und der fluiden Phase des zu verdampfenden Mediums ausgebildet und verläuft spiralförmig in dem Boden. Insbesondere wickelt sich die Spiralform dabei um die Mittellängsachse des Außengehäuses auf.
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Weiterhin besonders bevorzugt ist der Boden durch eine Bodenplatte ausgebildet, die einstückig und werkstoffeinheitlich ausgebildet ist und das Strömungsleitblech insbesondere die Prallplatte in die Brennkammer gerichtet an der Bodenplatte ausgebildet ist und an einer Außenseite der Bodenplatte Nuten ausgebildet sind, die mit einem Deckel verschlossen sind und den Kanal insbesondere den Trennkanal ausbilden.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen
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1 eine Querschnittsansicht durch den erfindungsgemäßen Verdampfer,
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2a und b eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Gehäuseboden mit und ohne Deckel,
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3 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Schottblech und
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4 eine Querschnittsansicht durch den Verdampfer mit Strömungsweg des Flammstrahls.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt eine Querschnittsansicht durch den erfindungsgemäßen Verdampfer 1, wobei der Verdampfer 1 auf einer Eintrittsseite 2 eine Grundplatte 3 aufweist und in der Grundplatte 3 eine zentrale Ausnehmung 4 vorhanden ist. Durch die zentrale Ausnehmung 4 tritt ein nicht näher dargestellter Brennstoff mit einem Luft- oder aber Sauerstoffanteil in ein Flammrohr 5 ein. Das Flammrohr 5 ist dabei derart mittig in dem Verdampfer 1 angeordnet, dass es sich entlang einer Mittellängsachse 6 erstreckt. Das Flammrohr 5 erstreckt sich hier über ca. 4/5 der Länge L des Verdampfers 1. Ein durch das Flammrohr 5 tretender Flammstrahl 7 trifft auf der Eintrittsseite 2 gegenüberliegenden Seite auf ein Bodenblech 8, wobei auf dem Bodenblech 8 ein Strömungsleitblech in Form einer Prallplatte 9 einstückig werkstoffeinheitlich ausgebildet ist. Der Flammstrahl 7 erfährt an der Prallplatte 9 eine Strömungsumkehr, so dass er auf die Radialrichtung R bezogen nach außen umgelenkt wird und entgegengesetzt der Flammstrahlströmung im Flammrohr 5 durch den Verdampfer 1 zurückströmt.
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Hierzu weist der Verdampfer 1 weiterhin ein Außengehäuse 10 auf, wobei zwischen einer Innenmantelfläche 11 des Außengehäuses 10 und der Außenmantelfläche 12 des Flammrohres 5 eine Rückströmkammer 13 ausgebildet ist. In der Rückströmkammer 13 selbst sind drei ineinander geschachtelte spiralförmige Verdampferleitungen 14 angeordnet, wobei die auf die Radialrichtung R bezogene innere Verdampferleitung 14 das Flammrohr 5 umfasst und wiederrum selbst umfasst ist von einer zweiten Verdampferleitung 14, welche wiederrum umfasst ist von einer dritten Verdampferleitung 14, jeweils bezogen auf die Radialrichtung R.
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Somit findet eine weitergehende Verbrennung und/oder eine Erwärmung des Flammstrahls 7 statt, wobei durch die Verdampferleitungen 14 ein nicht näher dargestelltes zu erwärmendes bzw. zu verdampfendes Medium strömt.
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Damit nunmehr die Erwärmungsleistung erhöht wird, ist ferner eine weitergehende Strömungsumlenkung in der Rückströmkammer 13 vorgesehen. Hierzu sind Schottbleche 15 in der Rückströmkammer 13 angeordnet, so dass der durch die Rückströmkammer 13 strömende Flammstrahl 7 bezogen auf die Mittellängsachse 6 auf der Bildebene von oben nach unten und wiederum von unten nach oben umgelenkt wird, was nochmal in 5 dargestellt ist.
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Hierdurch wird die Zeit, die der Flammstrahl 7 benötigt um durch die Rückströmkammer 13 zu strömen erhöht, was die Wärmeübergangsleistung von Flammstrahl 7 an Verdampferleitung 14 wiederum effektiver gestaltet.
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In der Grundplatte 3 ist ferner eine Austrittsöffnung 16 vorgesehen, so dass der Flammstrahl 7 bei Erreichen der Grundplatte 3 aus der Rückströmkammer 13 austreten kann.
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Im Rahmen der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass das zu erwärmende nicht näher dargestellte Medium nach Durchströmen der Verdampferleitungen 14 über einen Sammelflansch 17 und ein Verbindungsstück 18 in einen Kanal 19 in der Bodenplatte 8 überführt wird. Der Kanal 19 in der Bodenplatte 8 ist insbesondere derart ausgebildet, dass er sich spiralförmig um die Mittellängsachse 6 wickelt.
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Näher dargestellt ist dies in 2a und b. 2a zeigt eine Seitenansicht auf die Bodenplatte, wobei hier aus dem Sammelflansch 17 die in dem Verdampfer 1 befindlichen Verdampferleitungen 14 zusammengeführt werden, das Medium über das Verbindungsstück in den Kanal 19 befördern. Auf der Grundplatte 3 ist ferner ein Deckel 20 angeordnet, der beispielsweise über Schraubbolzen 21 mit dem Bodenblech 8 gekoppelt ist verschlossen.
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2b zeigt die gleiche Ansicht auf das Bodenblech 8 ohne Deckel. Hier ist zu erkennen, dass hinter dem Verbindungsstück 18 ein Eintritt 22 in den Kanal 19 ermöglicht ist, wobei der Kanal 19 spiralförmig gedreht um die Mittellängsachse 6 ausgebildet ist. Hier erfolgen sodann eine Trennung der dampfförmigen von der flüssigen Phase und ein erneuter starker Wärmeeintrag aufgrund der in 1 ersichtlichen auf der Rückseite des Kanals 19 befindlichen Prallplatte 9, gegen die der Flammstrahl 7 des Flammrohres 5 prallt. Nach Durchströmen des Kanals 19 wird über einen Austritt 23 das dampfförmige Medium aus dem Verdampfer 1 ausgeführt.
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3 zeigt ferner eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Schottblech 15. Dieses ist als Halbkreis ausgebildet, so dass es an einem Innenradius 24 die Außenmantelfläche 12 des Flammrohres 5 umfasst und an einem Außenradius 25 an der Innenmantelfläche 11 des Außengehäuses 10 anliegt. Hierdurch wird der direkte Strömungsweg in dem Rückströmkanal zumindest für die Querspannfläche des Schottbleches 15 abgesperrt, so dass eine zwangsweise Strömungsumlenkung erfolgt.
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4 veranschaulicht dies noch einmal in einem Strömungsflussbild, welches den Strömungsweg darstellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdampfer
- 2
- Eintrittsseite
- 3
- Grundplatte
- 4
- Ausnehmung
- 5
- Flammrohr
- 6
- Mittellängsachse
- 7
- Flammstrahl
- 8
- Bodenblech
- 9
- Prallplatte
- 10
- Außengehäuse
- 11
- Innenmantelfläche zu 10
- 12
- Außenmantelfläche zu 5
- 13
- Rückströmkammer
- 14
- Verdampferleitung
- 15
- Schottblech
- 16
- Austrittsöffnung
- 17
- Sammelflansch
- 18
- Verbindungsstück
- 19
- Kanal
- 20
- Deckel
- 21
- Schraubbolzen
- 22
- Eintritt
- 23
- Austritt
- 24
- Innenradius
- 25
- Außenradius
- R
- Radialrichtung
- L
- Länge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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