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Die Erfindung betrifft einen Rohrbündelwärmetauscher zur Kühlung eines Synthesegasgemisches, eine Anlage zur Herstellung von Synthesegas, Ammoniak, Harnstoff und/oder Methanol umfassend einen erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauscher, ein Verfahren zur Kühlung eines Gasstromes und die Verwendung des Rohrbündelwärmetauscher zur Kühlung von Synthesegas, Wasserstoff, Stickstoff und anderer Gase.
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Rohrbündelwärmetauscher sind neben Plattenwärmetauschern schon seit längerer Zeit bekannte und etablierte Vorrichtungen zur Kühlung von Prozessgasen und Flüssigkeiten. Rohrbündelwärmetauscher umfassen in der Regel U-förmig gebogene Rohre innerhalb einer Ummantelung. Über die Ummantelung kann beispielsweise das zu kühlende Medium in den Mantelinnenraum geleitet werden. Eine Kühlung erfolgt dann beispielsweise durch ein durch Rohrbündel geleitetes Kühlmedium. Dabei kann das Kühlmedium parallel oder im Gegenstrom zum kühlenden Medium geleitet werden. Eine Beschreibung der Funktionsweise von parallelen Wärmetauschern oder Gegenstromwärmetauschern findet sich beispielsweise in „Chemical Technology - An integral Textbook“, Wiley-VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, 2013, Seite 93-96, (ISBN: 978-3-527-30446-2).
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Rohrbündelwärmetauscher spielen in der großtechnischen Synthese, insbesondere bei der Synthese von Ammoniak eine große Rolle. Die Temperatur Regulierung und auch Rückgewinnung stellen dabei wichtige Prozessparameter sowohl im Hinblick auf die Prozessausbeute als auch auf die Materialbelastung dar.
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Ammoniak ist die weltweit zweitmeist produzierte synthetische Chemikalie (Ullmannn's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2012, Wiley-VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim, DOI:10.1002/14356007.o02_o11, im folgenden „Ullmann's“).
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Die Herstellung von Ammoniak erfolgt dabei im Wesentlichen aus den Elementen Wasserstoff und Stickstoff und einen Eisenkatalysator. Die Temperaturen bewegen sich häufig im Bereich zwischen 400 °C und 500 °C und bei einem Druck über 100 bar. Der wesentliche Faktor für die Prozesskosten liegen dabei in der Bereitstellung von Wasserstoff aus der Synthesegas Herstellung (siehe auch Ullmanns, Seite 139).
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Eine Erzeugung von Ammoniak erfolgt dementsprechend bevorzugt im Grundsatz wie beispielsweise bei Holleman, Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102 Auflage, 2007, Seiten 662-665 (ISBN 978-3-11-017770-1) und Ullmanns (Seite 139 bis 225) beschrieben, basierend auf dem „Haber-Bosch-Verfahren“ aus den Elementen gemäß Gleichung [1]:
3 H2 + N2 ⇌ 2 NH3 + 92.28 kJ [1]
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Das Edukt Stickstoff (N2) kann beispielsweise durch Tieftemperaturluftzerlegung oder durch Reduktion von Sauerstoff in der Luft durch Verbrennung gewonnen werden. Der Wasserstoff wird bevorzugt über den „Steam-Reforming-Prozess“ gemäß Gleichung [2] erhalten:
CnH2m + nH2O ⇌ (n+m) H2 + nCO [2]
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In der anschließenden „Kohlendioxid-Konvertierung“ erfolgt eine weitere Umsetzung gemäß Gleichung (3):
CO + H2O ⇌ CO2 + H2 [3]
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Das gemäß Gleichung [3] entstehende Kohlendioxid (CO2) dient bevorzugt als Kohlendioxidquelle zur Harnstoffsynthese gemäß den Gleichungen [4] und [5] (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Urea, 1. Introduction, 2010, DOI 10/1002/14356007.a27_333.pub2).
2 NH3 + CO2 ⇌ H2N-COONH4 [4]
H2N-COONH4 ⇌ (NH2)2CO + H2O [5]
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In vielen der voranstehend kurz umrissenen Prozessschritte kommen Wärmetauscher zur Temperaturregulierung oder auch zur Wärmerückgewinnung zum Einsatz.
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Passiert das zu kühlende Medium einen U-Rohrförmige Wärmetauscher in einem linearen, gleichgerichteten Strom, so passiert das Medium das Kühlmedium im Wärmetauscher einmal mit dem Kühlstrom und einmal gegen den Kühlstrom. Daraus ergibt sich zwangsläufig eine Temperaturdifferenz an den beiden Teilabschnitten des Wärmetauschers und somit eine ungleichmäßige Kühlung des zu kühlenden Mediums.
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US 2,612,350 A offenbart einen Gegenstrom Rohrbündelwärmetauscher indem die Rohrabschnitte eine unterschiedliche Länge aufweisen.
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CN 103954153 B offenbart einen reinen Gegenstrom Wärmeaustauscher indem Umlenkbleche für einen stetigen Gegenstrom sorgen.
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CN 101936674 A offenbart einen Rohrbündelwärmetauscher in dem die Rohrabschnitte durch ein zentrales Trennblech geteilt sind.
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US 4,561,496 A offenbart einen Wärmetauscher für die Kühlung heißer Gase in der Ammoniaksynthese. Der Wärmetauscher umfasst zudem eine Vorwärmekammer.
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US 2017/0205147 A1 offenbart einen Rohrbündelwärmetauscher, welcher mit einer Vielzahl von Trennwänden und variablen Anschlüssen eine bessere Wärmebilanz und eine vollständige Gegenstromkühlung ermöglicht.
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WO 2016/055406 A1 offenbart einen Gegenstrom Rohrbündelwärmetauscher welcher über ein zentrales Trennblech verfügt.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe einen Rohrbündelwärmetauscher bereitzustellen, welcher mit geringen apparativem Aufwand einen kontinuierlichen Wärmeaustausch im Gegenstrom ermöglichen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird überraschenderweise durch einen Rohrbündelwärmetauscher zur Kühlung eines Synthesegasgemisches gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung umfasst außerdem eine Anlage zur Herstellung von Synthesegas, Ammoniak, Harnstoff und/oder Methanol umfassend einen erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauscher.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur Kühlung eines Gasstromes Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren die Verwendung des erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauschers zur Kühlung von Synthesegas, Wasserstoff und Stickstoff.
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Der erfindungsgemäße Rohrbündelwärmetauscher zur Kühlung eines Synthesegasgemisches umfasst mindestens die folgenden Komponenten. Ein Wärmetauschermantel umfasst (Mantelseitig) eine Manteleinlassöffnung und eine Mantelauslassöffnung. Des Weiteren sind (Rohrseitig) eine Kühl-Einlassöffnung und eine Kühl-Auslassöffnung vorgesehen. Die Kühl-Einlassöffnung und die Kühl-Auslassöffnung stellen die Verbindung zu den im Wärmetauschermantel vorgesehen Kühlrohren (Rohrbündel) her.
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Innerhalb des Wärmetauschermantels sind mindestens ein Eckstück, eine Rohrplatte und ein Mantelinnenraum angeordnet. Dabei bildet die Rohrplatte eine Begrenzung des Mantelinnenraums, bevorzugt in Richtung zum Eckstück hin. Optional ist die Rohrplatte mit dem Eckstück verbunden oder die Rohrplatte bildet optional alternativ einen Teil des Eckstücks.
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Weiterhin ist das das Eckstück mit der Kühl-Einlassöffnung und der Kühl-Auslassöffnung verbunden. Der Mantelinnenraum ist mit der Manteleinlassöffnung und der Mantelauslassöffnung verbunden.
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Ein erstes U-Rohr ist innerhalb des Mantelinnenraums angeordnet, wobei das erste U-Rohr eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung sowie einen ersten Rohrschenkel und einem zweiten Rohrschenkel umfasst. Zudem ist ein zweites U-Rohr innerhalb des Mantelinnenraums angeordnet, wobei das zweite U-Rohr eine dritte Öffnung und eine vierte Öffnung sowie einen dritten Rohrschenkel und einem vierten Rohrschenkel umfasst. Der Ausdruck „Rohrschenkel“ umfasst im Sinne der Erfindung die benachbarten, bevorzugt zumindest abschnittsweise geraden, Rohrabschnitte. Optional verlaufen die Rohrabschnitte (näherungsweise) parallel zueinander. Jeweils zwei Rohrschenkel sind über einen näherungsweise U-förmigen bzw. gebogenen Abschnitt oder ein U-förmiges Verbindungsstück, durchgängig miteinander verbunden.
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Ein Manteleinlassrohr ist zumindest abschnittsweise im Mantelinnenraum angeordnet. Das Manteleinlassrohr ist mit der Manteleinlassöffnung verbunden oder durchgängig verbunden. Weiterhin ist das Manteleinlassrohr zumindest abschnittsweise zwischen dem ersten U-Rohr und dem zweiten U-Rohr angeordnet. Der Ausdruck „zwischen dem ersten U-Rohr und dem zweiten U-Rohr“ beschreibt eine Platzierung des Manteleinlassrohres einem vom dem ersten U-Rohr (1) und dem zweiten U-Rohr begrenzten Raum innerhalb des Mantelinnenraumes. Der Ausdruck „abschnittsweise“ umfasst bevorzugt im Sinne der Erfindung das sich mindestens 50%, bevorzugt mindestens 70 % der Länge des Manteleinlassrohres (bezogen auf den Mantelinnenraum) innerhalb des vom dem ersten U-Rohr (1) und dem zweiten U-Rohr begrenzten Raumes befindet. Der Ausdruck „verbunden“ schließt auch ein „durchlaufen der Manteleinlassöffnung“ bzw. eine durchgehende Anordnung des Manteleinlassrohres innerhalb der Manteleinlassöffnung mit ein.
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Das erste U-Rohr und das zweites U-Rohr sind über/mit die/der Rohrplatte mit dem Eckstück verbunden oder durchlaufend verbunden. Der Ausdruck „verbunden“ schließt einen Gas- oder Flüssigkeitsaustausch durch die Rohrplatte mit ein.
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Weiterhin sind die erste Öffnung und die dritte Öffnung mit der Kühl-Einlassöffnung verbunden sind und zweite Öffnung und die vierte Öffnung sind mit der Kühl-Auslassöffnung verbunden.
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Der Ausdruck „verbunden“ bzw. „verbunden oder durchlaufend verbunden“ umfasst im Sinne der Erfindung bevorzugt geeignete Rohre, Öffnungen, Verbindungsstücke, Ventile, Pumpen, Kompressoren, welche einen Transport von Gasen und/oder Flüssigkeiten bei Normaldruck (im Bereich von 1 bar absolut), Unterdruck (kleiner 1 bar absolut) oder Überdruck (größer 1 bar absolut) ermöglichen. Weitere Elemente, beispielsweise Messaparaturen, können zwischen den „verbundenen Elementen“ angeordnet sein.
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Der erfindungsgemäße Rohrbündelwärmetauscher ist dadurch gekennzeichnet, dass ein innerer Zylinder innerhalb des Mantelinnenraums angeordnet ist und wobei der innere Zylinder mit der Rohrplatte bündig abschließt. Gleichzeitig ist der innere Zylinder sowohl zwischen dem ersten Rohrschenkel und dem zweiten Rohrschenkel angeordnet als auch (der innere Zylinder) zwischen dem dritten Rohrschenkel und dem vierten Rohrschenkel angeordnet.
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Die voranstehende Anordnung des Zylinders gibt die erfindungsgemäße Mindestkonfiguration wieder, im Regelfall ist der Zylinder innerhalb einer Vielzahl von Rohrschenkeln und einer Vielzahl von U-Rohren (Rohrbündel) wie voranstehend beschrieben angeordnet. Dabei ist der innere Zylinder bevorzugt innerhalb der U-Rohre, zwischen den Rohrschenkeln angeordnet. Das U-förmige Verbindungsstück der U-Rohre umgreift somit den der Rohrplatte abgewendeten (entgegengesetzten) Öffnungsrand des inneren Zylinders.
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Der voranstehend beschriebene Aufbau ermöglicht eine stetige Kühlung des zu kühlenden Mediums, beispielsweise Synthesegas, im Gegenstrom.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das das Eckstück in Form einer Halbkugel ausgebildet.
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Bevorzugt weist das Eckstück einen ersten Teilraum und einen zweiten Teilraum auf. Besonders bevorzugt ist der erste Teilraum mit der Kühl-Auslassöffnung verbunden und der zweite Teilraum ist mit der Kühl-Einlassöffnung verbunden. Die Teilräume ermöglichen ein Sammeln und Verteilen des Kühlmediums vor Eintritt in die U-Rohre und nach Austritt aus den U-Rohren. Besonders bevorzugt sind der ersten Rohrschenkel und der dritte Rohrschenkel über die Rohrplatte mit dem zweiten Teilraum verbunden und der zweite Rohrschenkel und der vierten Rohrschenkel mit dem ersten Teilraum verbunden. Bevorzugt enthalten die Teilräume noch geeignete Sammel- und Verteilungsvorrichtungen zum Bündeln und Ein/Ausleiten des Kühlmediums durch die U-Rohre.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Rohrbündelwärmetauscher 3 bis 4000 U-Rohre. Die Anzahl der U-Rohre kann dabei in Abhängigkeit des erforderlichen Kühlmediumsdurchsatzes variiert werden.
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Bevorzugt weist der innere Zylinder eine horizontale Kantenlänge auf, welche mindestens 50 %, besonders bevorzugt 70 % der mittleren Länge der voran genannten Rohrschenkel entspricht.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Anlage zur Herstellung von Synthesegas, Ammoniak, Harnstoff und/oder Methanol umfassend den erfindungsgemäßen und voranstehend beschriebenen Rohrbündelwärmetauscher.
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Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung eines Gasstromes mindestens umfassend die Einleitung eines Gases oder Dampfgemisches in einen Rohrbündelwärmetauscher.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren die Verwendung des erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauschers zur Kühlung von Synthesegas, Wasserstoff, Kohlendioxid, Ammoniak, Luft, Stickstoff und/oder Gemischen davon.
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Des Weiteren wird die Erfindung anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren beschränken dabei nicht den Schutzumfang der Erfindung, sondern dienen nur der beispielhaften Erläuterung. Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Zeichnung des erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauscher zur Kühlung eines Synthesegasgemisches und
- 2 eine schematische Zeichnung des erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauscher zur Kühlung eines Synthesegasgemisches mit eingezeichneten Strömungsverläufen.
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1 zeigt eine schematische Zeichnung des erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauschers. Ein Wärmetauschermantel (12) umfasst (Mantelseitig) eine Manteleinlassöffnung (7) und eine Mantelauslassöffnung (8). Des Weiteren sind (Rohrseitig) eine Kühl-Einlassöffnung (5) und eine Kühl-Auslassöffnung (6) vorgesehen, welche die Verbindung zu den innerhalb des Wärmetauschermantels (12) vorgesehen Kühlrohren (1), (2) (Rohrbündel) herstellen. Innerhalb des Wärmetauschermantels (12) sind mindestens ein Eckstück (4), eine Rohrplatte (3) und ein Mantelinnenraum (11) angeordnet. Dabei bildet die Rohrplatte (3) eine Begrenzung des Mantelinnenraums (11). Das Eckstück ist mit der Kühl-Einlassöffnung (5) und der Kühl-Auslassöffnung (6) verbunden. Der Mantelinnenraum (11) ist mit der Manteleinlassöffnung (7) und der Mantelauslassöffnung (8) verbunden. Ein erstes U-Rohr (1) ist innerhalb des Mantelinnenraums (11) angeordnet. Das erste U-Rohr (1) umfasst eine erste Öffnung (1.1) und eine zweite Öffnung (1.2) sowie einen ersten Rohrschenkel (1.3) und einem zweiten Rohrschenkel (1.4). Zudem ist ein zweites U-Rohr (2) innerhalb des Mantelinnenraums (11) angeordnet, wobei das zweite U-Rohr (2) eine dritte Öffnung (2.1) und eine vierte Öffnung (2.2) sowie einen dritten Rohrschenkel (2.3) und einem vierten Rohrschenkel (2.4) umfasst. Ein Manteleinlassrohr (9) ist zumindest abschnittsweise im Mantelinnenraum (11) angeordnet. Das Manteleinlassrohr (9) ist mit der Manteleinlassöffnung (7) verbunden. Weiterhin ist das Manteleinlassrohr (9) zumindest abschnittsweise zwischen dem ersten U-Rohr (1) und dem zweiten U-Rohr (2) angeordnet. Das erste U-Rohr (1) und das zweites U-Rohr (2) sind über/mit die/der Rohrplatte (3) mit dem Eckstück (4) verbunden oder durchlaufend verbunden. Weiterhin sind die erste Öffnung (1.1) und die dritte Öffnung (2.1) mit der Kühl-Einlassöffnung (5) verbunden und die zweite Öffnung (1.2) und die vierte Öffnung (2.2) sind mit der Kühl-Auslassöffnung verbunden. Ein innerer Zylinder (10) ist innerhalb des Mantelinnenraums (11) angeordnet und wobei der innere Zylinder (10) mit der Rohrplatte (3) bündig abschließt. Gleichzeitig ist der innere Zylinder (10) sowohl zwischen dem ersten Rohrschenkel (1.3) und dem zweiten Rohrschenkel (1.4) angeordnet als auch zwischen dem dritten Rohrschenkel (2.3) und dem vierten Rohrschenkel (2.4) angeordnet. Im Regelfall ist der Zylinder (10) innerhalb einer Vielzahl von Rohrschenkeln und einer Vielzahl von U-Rohren (Rohrbündel) wie voranstehend angeordnet.
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2 zeigt eine schematische Zeichnung des erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauschers zur Kühlung eines Synthesegasgemisches mit eingezeichneten Strömungsverläufen. Der Aufbau des Rohrbündelwärmetauschers ist identisch mit dem in 1 beschriebenen. Die fetten Pfeile (➨) zeigen die Strömungsrichtung des kühlenden (gekühlten) Gasstromes, die dünnen Pfeile (←)zeigen die Strömungsrichtung des Kühlmediums. Der voranstehend beschriebene Aufbau ermöglicht eine stetige Kühlung des zu kühlenden Mediums, beispielsweise Synthesegas, im Gegenstrom. Eine unvorteilhafte Kühlung in Strömungsrichtung mit dem Kühlmedium wird im erfindungsgemäßen Aufbau überraschenderweise vermieden.
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Bezugszeichenliste
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- (1)
- erstes U-Rohr
- (1.1)
- erste Öffnung
- (1.2)
- zweite Öffnung
- (1.3)
- erster Rohrschenkel
- (1.4)
- zweiter Rohrschenkel
- (2)
- zweites U-Rohr
- (2.1)
- dritte Öffnung
- (2.2)
- vierte Öffnung
- (2.3)
- dritter Rohrschenkel
- (2.4)
- vierter Rohrschenkel
- (3)
- Rohrplatte
- (4)
- Eckstück
- (5)
- Kühl-Einlassöffnung
- (6)
- Kühl-Auslassöffnung
- (7)
- Manteleinlassöffnung
- (8)
- Mantelauslassöffnung
- (9)
- Manteleinlassrohr
- (10)
- innerer Zylinder
- (11)
- Mantelinnenraum
- (12)
- Wärmetauschermantel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2612350 A [0012]
- CN 103954153 B [0013]
- CN 101936674 A [0014]
- US 4561496 A [0015]
- US 2017/0205147 A1 [0016]
- WO 2016/055406 A1 [0017]
