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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Wärmetauscher, insbesondere Abgasrückkühler (AGR-Kühler) werden thermisch stark beansprucht. Insbesondere im Eingangsbereich des Kühlelements innerhalb des Gehäuses des AGR-Kühlers entstehen hohe Temperaturen und bei Wechselbeanspruchungen hohe Temperaturgradienten. Wird die Belastbarkeit des Werkstoffes überschritten und entstehen Materialrisse, führt dies zu einem Ausfall des gesamten Wärmetauschers. Es werden daher besonders temperaturwechselverträgliche Werkstoffe, wie zum Beispiel ferritische Stähle, im Eingangsbereich eines AGR-Kühlers eingesetzt. Diese Werkstoffe helfen, die Robustheit des Wärmetauschers im Hinblick auf Wechselbeanspruchungen zu steigern, weil ferritische Stähle kleinere thermische Expansionskoeffizienten besitzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Robustheit von Wärmetauschern, insbesondere von AGR-Kühlern, im Hinblick auf thermische Wechselbeanspruchungen zu verbessern und dadurch die Lebensdauer zu verlängern.
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Diese Aufgabe ist bei einem Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher besitzt ein Gehäuse mit einem Eingang zu Kühlkanälen für das zu kühlende Gas, insbesondere Abgas. Das heiße Abgas wird durch die Kühlkanäle geleitet und tritt an einem Ausgang des Wärmetauschers aus dem Gehäuse aus. Die Kühlkanäle werden zur Kühlung außenseitig von einem zweiten Medium umströmt. Die Kühlkanäle besitzen hierzu mediendichte Wände, welche eingangsseitig Endabschnitte besitzen. Im Bereich dieser Endabschnitte treten hohe Temperaturgradienten durch das einströmende, heiße Gas auf.
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Im Rahmen der Erfindung ist an dem Eingang ein Schutzgitter angeordnet. Das Schutzgitter umgreift die besagten Endabschnitte der Kühlkanäle im Abstand. Dadurch einsteht ein Luftspalt auf der dem einströmenden Gas abgewandten Seite des Schutzgitters. Dieser Luftspalt zwischen dem Schutzgitter und dem Endabschnitt eines Kühlkanals schützt die Endabschnitte und damit den Bereich hoher Temperaturgradienten vor starken Wechselbeanspruchungen. Das Schutzgitter wird von dem zu kühlenden Gas angeströmt. Der Endabschnitt wird nicht mehr unmittelbar angeströmt. Er wird abgeschirmt.
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Der Begriff „Luftspalt“ ist nicht so zu verstehen, dass zwingend Luft in dem Spalt angeordnet ist. Es kann sich hier naturgemäß um das Gas handeln, das durch den Wärmetauscher geleitet wird. Der Spalt ist dementsprechend gasgefüllt. Da Gase Wärme schlechter leiten als Metalle, wird die Wärme, die von dem Schutzgitter aufgenommen wird nicht unmittelbar in die Endabschnitte eingeleitet. Sollte das Schutzgitter thermisch stark beansprucht werden und sollten Materialrisse auftreten, führt dies nicht zu einem Ausfall des gesamten Wärmetauschers, denn das Schutzgitter ist kein fluidleitendes Werkstück. Es kommt auch bei einer Beschädigung des Schutzgitters zu keiner Durchmischung zwischen den beiden Medien innerhalb des Wärmetauschers. Insgesamt wird durch das Schutzgitter die Robustheit, insbesondere von AGR-Kühlern erhöht und die Lebensdauer verlängert. Die Temperaturwechselbeanspruchungen im Eintrittsbereich des Wärmetauschers werden reduziert. Die Temperaturgradienten sind deutlich kleiner.
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Die durch das Schutzgitter geänderte Gasströmung sorgt dafür, dass die empfindlichen Endabschnitte deutlich weniger direkt aufgeheizt werden. Sie werden dabei vor direkter, zu starker oder zu schneller Erwärmung und auch Abkühlung geschützt. Dadurch heizt oder kühlt sich der gesamte Wärmetauscher homogener auf oder ab. Dadurch ergeben sich auch auf den gesamten Wärmetauscher betrachtet Verringerungen von Temperaturungleichverteilungen beziehungsweise verringerte Temperaturgradienten. Dadurch verlängert sich die Lebensdauer des Wärmetauschers insgesamt.
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Das erfindungsgemäße Schutzgitter ist ein vergleichsweise kostengünstiges Bauteil, insbesondere ein Blechbauteil, das nachrüstbar ist. Es ist in Serienfertigung einfach herstellbar. Das Schutzgitter ist verliersicher angebracht und insbesondere in oder an das Gehäuse geklemmt. Die Klemmverbindung ist so konfiguriert, dass sich thermisch induzierte Längenveränderungen nicht negativ auf die Belastung des Gehäuses auswirken. Die Klemmverbindung gleicht Spannungen zwischen Schutzgitter und Gehäuse aus. Die Verliersicherheit kann auch durch weitere in Strömungsrichtung vorgelagerte Bauteile hergestellt werden, zum Beispiel durch einen Diffusor.
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Das Schutzgitter ist bevorzugt durch mindestens einen Abstandshalter punktuell an dem Wärmetauscher abgestützt. Der Abstandshalter kann Bestandteil des Schutzgitters sein. Es kann sich um wenigstens einen Vorsprung am Schutzgitter handeln.
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Bevorzugt besitzt das Schutzgitter in Strömungsrichtung weisende Kragen an seinen Gitteröffnungen, wobei die Kragen in die Kühlkanäle greifen. Die Kragen können als Durchzüge an den Gitteröffnungen ausgebildet sein und greifen als Umstülpungen in die einzelnen Kühlkanäle, um den jeweiligen Endabschnitt eines Kühlkanals zu schützen.
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Bei eng benachbarten Kühlkanälen, insbesondere bei Plattenwärmetauschern sind die Endabschnitte oftmals zu flachen Flanschen dicht miteinander verbunden. Diese Flanschbereiche kommen nicht mehr vollflächig und unmittelbar mit einem Kühlmedium in Kontakt. Im Sinne der Erfindung sind es ungekühlte Bereiche. Diese Flanschbereiche weisen insbesondere entgegen der Strömungsrichtung und werden dann stirnseitig von dem heißen Gas angeströmt. Mangels Kühlung unterliegen sie besonders hohen thermischen Belastungen und sind daher besonders empfindlich. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kragen der Gitteröffnungen nur die Endabschnitte übergreifen. Das reicht bereits aus, um diese besonders kritischen Stellen zu schützen. Der entstehende Luftspalt zwischen dem Schutzgitter und den empfindlichen Endabschnitten hält die größten thermischen Belastungen von den Endabschnitten fern.
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In einer Variante können die Kragen der Gitteröffnungen die Endabschnitte übergreifen, ohne dass der Querschnitt der Kühlkanäle im Anschluss an die Endabschnitte reduziert wird. Die Schutzgitter befinden sich in diesem Fall nur in den Bereichen, in denen der Querschnitt der Kühlkanäle ohnehin etwas größer ist. Es ist auch nicht erforderlich, dass die Kragen beziehungsweise die Schutzgitter in ihrer Erstreckung in die Kühlkanäle hinein sich über die gesamte in Strömungsrichtung gemessene Breite der Flansche erstrecken. Maßgeblich ist, dass die Stirnseiten der Flansche nicht unmittelbar angeströmt werden. Die Erfindung ist nicht auf Kühlkanäle beschränkt, deren Endabschnitte im Querschnitt erweitert sind. Die besagten Erweiterungen können bei Platten- oder Lamellenbauweise optional gegeben sein. Bei einem Rohrbündelwärmetauscher sind ebenfalls endseitige Erweiterungen im Querschnitt optional möglich.
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Das Schutzgitter besteht vorzugsweise aus einem einzigen, umgeformten Blechbauteil. Die materialeinheitlich einstückige Fertigung als Blech-, Stanz-, oder Biegeteil ist besonders wirtschaftlich. Ferritische Edelstähle werden aufgrund ihres kleineren thermischen Expansionskoeffizienten bevorzugt. Sie besitzen eine hohe Temperaturwechselverträglichkeit. Als weitere geeignete Werkstoffe kommen insbesondere austenitische oder ferritische Stähle in Frage, sowie keramische Werkstoffe. Ein Schutzgitter kann auch aus mehreren Teilen bestehen. Es sind bei mehrteiligen Schutzgittern anforderungsgerechte Materialkombinationen aus den genannten Werkstoffen möglich.
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Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher handelt es sich vorzugsweise um einen Rohrbündelwärmetauscher oder auch um einen Plattenwärmetauscher, jeweils insbesondere in Form eines Abgasrückkühlers. Hybridwärmetauscher als Kombinationen von Rohrbündeln und Lamellen/ Platten sind ebenso möglich.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 Eine perspektivische Ansicht eines Eingangsbereiches eines Wärmetauschers in einer ersten Ausführungsform;
- 2 Ein Schutzgitter gemäß 1 in einer Frontansicht;
- 3 Das Schutzgitter der 2 in einer Seitenansicht;
- 4 Den Wärmetauscher der 1 mit montiertem Schutzgitter gemäß 2;
- 5 Den Eingang des Wärmetauschers der 1 ohne Schutzgitter;
- 6 Den Eingang des Wärmetauschers gemäß 4 im Querschnitt;
- 7 Den Eingang des Wärmetauschers der 5 im Querschnitt;
- 8 Eine weitere Ausführungsform eines Wärmetauschers in perspektivischer Ansicht;
- 9 Das Schutzgitter für den Wärmetauscher gemäß 8 in einer weiteren Perspektive;
- 10 Das Schutzgitter der 9 in einer weiteren perspektivischen Ansicht;
- 11 Eine weitere Ausführungsform eines Wärmetauschers in einer perspektivischen Ansicht;
- 12 Das Schutzgitter für den Wärmetauscher der 11 in einer Frontansicht;
- 13 Das Schutzgitter gemäß 12 in einer Ansicht von schräg hinten;
- 14 Eine weitere Ausführungsform eines Wärmetauschers in perspektivischer Ansicht;
- 15 Das Schutzgitter des Wärmetauschers gemäß 14 in einer Frontansicht und
- 16 Das Schutzgitter der 15 in einer Ansicht von schräg hinten.
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1 zeigt einen Teilbereich eines Wärmetauschers 1 im Bereich eines Eingangs 2 in einem Gehäuse 3. Es handelt sich um einen Plattenwärmetauscher der als Abgasrückkühler eingesetzt wird. Die Platteneinbauten verlaufen parallel zur Strömungsrichtung und begrenzen mehrere in der Bildebene übereinander liegende und parallel zueinander verlaufende Kühlkanäle 4. Die Platteneinbauten besitzen jeweils Wände 5, die an ihren eingangsseitigen Endabschnitten 6 zu Flanschen miteinander verbunden sind. Die Flansche liegen im Anströmbereich des zu kühlenden Gases.
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Im Abstand zum Eingang 2 ist ein Schutzgitter 7 dargestellt mit Gitteröffnungen 8 entsprechend der Anordnung der Kühlkanäle 4 im Gehäuse 3. Das Schutzgitter 7 ist dafür vorgesehen, mit dem Gehäuse 3 verbunden zu werden und die Endabschnitte 6 zu übergreifen und vor dem heißen, einströmenden Gas zu schützen. Hierzu besitzt das Schutzgitter 7 in Höhe der jeweiligen Endabschnitte 6 der Wände 5 verlaufende Stege 9. Die Stege 9 besitzen einen Kragen 11, hier in Form von zwei Schenkeln 10, die entgegen der Einströmrichtung für das Gas gerichtet sind. Ein Steg 9 bildet zusammen mit einem Kragen 11 eine im Querschnitt U-förmige Anordnung. Jeder Kragen 11 im Zusammenhang mit dem Steg 9 ist dafür ausgebildet, die Stirnseite 17 eines Endabschnittes 6 abzuschirmen, indem zusätzlich eine Ober- und eine Unterseite von den Schenkeln 10 des in der Bildebene der 1 dargestellten Endabschnittes 6 zumindest teilweise übergriffen wird.
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In der Schnittdarstellung der 3 ist ferner zu erkennen, dass zusätzlich zu dem Kragen 11 an jedem Steg 9 auch benachbart der Oberkante und der Unterkante des im Wesentlichen rechteckigen Schutzgitters 7 Kragen 12 angeordnet sind. Anhand der Schnittdarstellung der 6 lässt sich erkennen, dass der oberbeziehungsweise unterseitige Kragen 12 dazu dient, den dort gelegenen Anströmbereich eines Endabschnittes 6 einer Wand 5 des obersten Kühlkanales 4 zu schützen. Die oberste Wand 5 bildet zusammen mit dem Gehäuse 3 einen von einem Kühlmedium durchströmten Bereich aus.
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Das Schutzgitter 7 wird zur Montage in das Gehäuse 3 gesteckt und ist dort klemmend gehalten. Das Schutzgitter 7 weist Abstandshalter 13, 14 jeweils im oberen und unteren Randbereich zwischen den obersten beiden Stegen 9 beziehungsweise den unteren beiden Stegen 9 (2 und 3) auf. Die Abstandshalter 13, 14 sind Punktauflagen. Sie definieren die Breite eines Luftspaltes 16 stirnseitig der Endabschnitte 6 (6). Das Schutzgitter 7 ist klemmend und verliersicher in das Gehäuse 3 eingesetzt.
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Eine zusätzliche Fixierung ist nicht zwingend erforderlich. Eine stoffschlüssige Fixierung kann zusätzlich vorgesehen sein, verbessert aber nicht die Funktion des Schutzgitters 7 in der Einbaulage. 2 zeigt, dass das Schutzgitter 7 gewissermaßen leiterartig aufgebaut ist, wobei die einzelnen Stege, die sich in 2 in Horizontalrichtung erstrecken, durch randseitige Holme 15 verbunden sind. Entsprechend der Form des Eingangs 2 ist auch das Schutzgitter 7 rechteckig konfiguriert. Es erstreckt sich in seiner Umfangskontur über den gesamten Eingang 2 des Wärmetauschers.
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Anhand der Gegenüberstellung der 4 und 5 ist zu erkennen, wie das Schutzgitter 7 gemäß der 1 bis 3 in das Gehäuse 3 des Wärmetauschers 1 eingesetzt ist. 5 zeigt zur Veranschaulichung noch einmal das Gehäuse 3 ohne Schutzgitter 7. Der Wärmetauscher 1 ist bezüglich seiner Endabschnitte 6 der Wände 5 hohen thermischen Belastungen ausgesetzt.
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Die 6 und 7 sind Schnittdarstellungen durch die 4 und 5 und zeigen die Situation einmal mit dem Schutzgitter 7 und einmal ohne das Schutzgitter 7. Das Schutzgitter 7 gemäß 6 übergreift die Endabschnitte 6 mittels der Kragen 11, 12. Dadurch erstreckt sich der Luftspalt 16 U-förmig zwischen jedem Kragen 11, 12 und dem flanschartigen Endabschnitt 6. Dieser Luftspalt 16 reduziert die Wärmeübertragung von dem anströmenden heißen Gas beziehungsweise von dem Schutzgitter 7 auf den Endabschnitt 6 und damit auch die Wärmeübertragung auf den Wärmetauscher 1. Die Temperaturgradienten in diesem Bereich werden reduziert. Die Endabschnitte 6 sind weniger starken Wechselbelastungen ausgesetzt. Temperaturschwankungen sowohl nach oben als nach unten werden über den Luftspalt 16 ausgeglichen. Der Luftspalt 16 ist vorzugsweise umlaufend, das heißt auch stirnseitig gleich groß. Der Abstand des Schutzgitters zur Stirnseite 17 (6) ermöglicht, dass sich das Schutzgitter 7 relativ zum Kühlkanal 4 beziehungsweise relativ zu den Wänden 5 thermisch ausdehnen kann, ohne Spannungen zu erfahren.
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6 zeigt ferner, dass sich das Schutzgitter 7 beziehungsweise dessen Kragen 16 nicht über die gesamte Breite des Endabschnittes 6 erstrecken, sondern nur soweit in Strömungsrichtung in die Kühlkanäle 4 ragt, wie es notwendig ist. In diesem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Kragen 16 etwa über die Hälfte der Breite der flanschartigen Endabschnitte 6. Um das Durchleiten von dem Kühlmedium zwischen zwei Wänden 5 des dargestellten Plattenwärmetauschers zu ermöglichen, verlaufen die Wände 5 im Abstand zueinander, wobei der Querschnitt der Kühlkanäle 4 naturgemäß kleiner ist als im Bereich der flanschartigen Endabschnitte 6. Dennoch ist die jeweilige Gitteröffnung 8 im Querschnitt mindestens genauso groß wie der Querschnitt der Kühlkanäle 4 im gekühlten Bereich. Das heißt, dass das zusätzliche Schutzgitter 7 zwar den Anströmquerschnitt minimal reduziert, jedoch nicht den Querschnitt während des Durchströmens durch den Wärmetauscher 1.
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7 zeigt in der Schnittdarstellung durch 5 im Vergleich zu 6 noch einmal den Unterschied zwischen Wärmetauschern 1 mit montiertem und nicht montiertem Schutzgitter 7. Bei 7 befinden sich die Stirnseiten 17 der Endabschnitte 6 ungeschützt im Anströmbereich des zu kühlenden Gases, während bei montiertem Schutzgitter gemäß 6 die Stirnseiten 12 durch die Stege 9 und die daran angeordneten Kragen 11, 12 sowie den Luftspalt 16 geschützt sind.
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Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele sind Abwandlungen des in den 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiels, wobei auf die dort eingeführten Bezugszeichen zurückgegriffen wird, auch wenn die Form oder Art des Wärmetauschers 1 beziehungsweise des Schutzgitters 7 abweicht.
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8 zeigt einen Plattenwärmetauscher in U-Form. Bei diesem Wärmetauscher 1 wird das zu kühlende Gas innerhalb des Gehäuses 3 U-förmig umgelenkt, so dass Eingang 2 und Ausgang 18 an einem Ende des Gehäuses 3 angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass nur der Eingang 2 mit einem Schutzgitter 7 geschützt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Gitteröffnungen 8 rechteckig konfiguriert. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist der jeweilige Kragen 11 vollständig umlaufend um die jeweilige Gitteröffnung 10 angeordnet, wie anhand der beiden perspektivischen Darstellungen in den 9 und 10 zu erkennen ist. Die in 8 dargestellte Trennwand 19 zwischen Eingang 2 und Ausgang 17 ist nicht Bestandteil des Schutzgitters 7. Das Schutzgitter 7 ist neben der Trennwand 19 montierbar.
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Das Ausführungsbeispiel der 11 zeigt einen Wärmetauscher 1 in Form eines Rohrbündelwärmetauschers. In Anpassung an die rohrförmigen Endabschnitte 6 sind die entsprechenden Kühlkanäle 4 kreisrund und damit auch die Gitteröffnungen 8 kreisförmig mit vollständig umlaufenden Kragen 11, wie anhand der 13 zu erkennen ist. Die Kragen 11 an dem Schutzgitter 7 werden in die Endabschnitte 6 eingesetzt. Dadurch werden die rohrförmigen Wände 5 vor anströmenden Gasen geschützt. Auch dieses Schutzgitter 7 ist wie alle anderen Schutzgitter 7 ein Blechbauteil, vorzugsweise aus austenitischem oder ferritischem Edelstahl. Es besitzt einen sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und schützt daher auch das Gehäuse, an dem es vorzugsweise klemmend befestigt ist vor thermisch induzierten Spannungen. Die jeweiligen Schutzgitter 7 sind insbesondere flache Bauteile mit einer Vielzahl von Gitteröffnungen 8, in Anpassung an die Größe und Position der jeweiligen Kühlkanäle 4 des zugehörigen Wärmetauschers 1. Es handelt sich um ein nachrüstbares Bauteil das materialeinheitlich einstückig durch Blechumformung hergestellt ist.
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14 zeigt eine weitere Variante eines Wärmetauschers 1 in Form eines AGR-Kühlers, wobei die zu 8 beschriebene U-Form mit der Rohrbündelbauweise gemäß 11 kombiniert wurde. Auf die dortigen Erläuterungen wird hinsichtlich der oben genannten Aspekte Bezug genommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Wärmetauscher
- 2 -
- Eingang von 1
- 3 -
- Gehäuse von 1
- 4 -
- Kühlkanal
- 5 -
- Wand von 4
- 6 -
- Endabschnitt von 5
- 7 -
- Schutzgitter
- 8 -
- Gitteröffnung
- 9 -
- Steg
- 10 -
- Schenkel von 11
- 11 -
- Kragen
- 12 -
- Kragen
- 13 -
- Abstandshalter
- 14 -
- Abstandshalter
- 15 -
- Holm
- 16 -
- Luftspalt
- 17 -
- Stirnseite von 6
- 18 -
- Ausgang
- 19 -
- Trennwand
