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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß Anspruch 1.
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Solche Wärmeübertrager dienen zur indirekten Wärmeübertragung zwischen zumindest einem fluiden ersten Medium und einem fluiden zweiten Medium und weisen einen Mantel auf, der einen Mantelraum des Wärmeübertragers umgibt, wobei der Mantelraum zur Aufnahme des ersten Mediums dient und einen Sumpf zum Sammeln einer flüssigen Phase des ersten Mediums aufweist, sowie ferner ein im Mantelraum angeordnetes Rohrbündel, das mehrere Rohre zur Aufnahme eines fluiden zweiten Mediums aufweist, wobei die Rohre um ein im Mantelraum angeordnetes Kernrohr gewickelt sind. Derartige Wärmeübertrager werden daher auch als gewickelte Wärmeübertrager bezeichnet.
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Das Kernrohr hat einerseits die Aufgabe, den Wicklungsprozess der Rohre bei der Herstellung des Wärmeübertragers zu ermöglichen, und dient andererseits dazu, einen Bypass des ersten Mediums in der Mitte des Rohrbündels beim Betrieb des Wärmeübertragers zu verhindern. Weiterhin wird vorzugsweise die Last des Rohrbündels zumindest teilweise über das Kernrohr abgetragen.
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Wärmeübertrager der eingangs genannten Art werden insbesondere in Erdgasverflüssigungsanlagen eingesetzt. Dabei wird in den Mantelraum ein Kältemittel (erstes Medium) aufgegeben, so dass dieses im Mantelraum einen Fallfilm ausbildet und durch Wärmeübertragung von zumindest einem im Rohrbündel geführten zweiten Medium auf das erste Medium bzw. Kältemittel verdampft, wobei das im Rohrbündel geführte zweite Medium abgekühlt wird. Bei dieser Verdampfung des ersten Mediums bzw. Kältemittels kann es jedoch zu einer sogenannten Fehlverteilung über das Rohrbündel kommen, so dass einige Rohre zu viele, andere Rohre zu wenig Kältemittel erhalten. Dies kann dazu führen, dass nicht die gesamte Flüssigkeit auf der Mantelseite verdampft wird und sich entsprechend eine flüssige Phase des ersten Mediums im Sumpf des Wärmeübertragers unterhalb des seitlichen mantelseitigen Austrittsstutzens sammelt.
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Bauartbedingt kann bei Wärmeübertragern der oben beschriebenen Art unter Umständen eine Saugleitung, die vom Sumpf des Wärmeübertragers zu einem Saugbehälter des Kältemittelkreislaufs führt, nicht mit Gefälle verlegt werden bzw. eine Drainageleitung am tiefsten Punkt des Mantelraumes des Wärmeübertragers kann unter Umständen nicht in den Saugbehälter eingebunden werden.
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Die beim Betrieb des Wärmeübertragers ggf. im Sumpf anfallende flüssige Phase des ersten Mediums bzw. Kältemittels kann dann nicht zurück in den Kältemittelkreislauf geführt werden, sondern muss z.B. über ein Fackelsystem verworfen werden.
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Der Verlust an Kältemittel muss infolgedessen durch Nachfüllen des Kältemittels bzw. des ersten Mediums ausgeglichen werden, um die Prozessbedingungen im Wärmeübertrager einzuhalten. Hierdurch entsteht ein komplexerer Verfahrensablauf sowie höhere Kosten durch den Mehrbedarf an Kältemittel.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager so zu verbessern, dass eine sich im Sumpf ansammelnde flüssige Phase nicht verworfen werden muss.
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Diese Aufgabe wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Erfindungsaspekte sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.
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Gemäß Anspruch 1 wird ein Wärmeübertrager zur indirekten Wärmeübertragung zwischen zumindest einem fluiden ersten Medium und einem fluiden zweiten Medium offenbart, mit:
- - einem Mantel, der einen Mantelraum des Wärmeübertragers umgibt, wobei der Mantelraum zur Aufnahme des ersten Mediums dient und einen Sumpf zum Sammeln einer flüssigen Phase in einem untersten Abschnitt des Mantelraumes ausbildet, und
- - einem im Mantelraum angeordneten Rohrbündel aufweisend mehrere Rohre zur Aufnahme des zweiten Mediums, wobei die Rohre um bzw. auf ein im Mantelraum angeordnetes Kernrohr gewickelt sind.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager eine im Sumpf angeordnete Gaseinblasvorrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein vorzugsweise heißes Gas in den Sumpf des Wärmeübertragers einzuleiten, wobei es sich bei dem Gas insbesondere um eine gasförmige Phase des ersten Mediums bzw. Kältemittels handelt.
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Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Gaseinblasvorrichtung dazu ausgebildet ist, das besagte Gas in Form von Blasen in eine die Gaseinblasvorrichtung umgebende flüssige Phase des ersten Mediums einzuperlen. Eine solche Gaseinblasvorrichtung wird auch als Sparger bezeichnet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass die Gaseinblasvorrichtung eine Vielzahl an Auslassöffnungen aufweist, die z.B. als Düsen oder Löcher ausgestaltet sein können, über die das Gas jeweils vorzugsweise blasenförmig in den Sumpf des Wärmeübertragers einleitbar bzw. eindüsbar ist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gaseinblasvorrichtung zumindest einen im Mantelraum bzw. im Sumpf angeordneten Behälter aufweist, der eine durch einen Boden gebildete Unterseite und eine der Unterseite abgewandte Oberseite aufweist, die durch einen Decke des mindestens einen Behälters gebildet ist, wobei die Auslassöffnungen in der Unterseite bzw. im Boden und/oder in der Oberseite bzw. in der Decke ausgebildet sind. Die Oberseite ist vorzugsweise dem Rohrbündel (insbesondere in vertikaler Richtung) zugewandt, wohingegen die Unterseite dem Rohrbündel vorzugsweise abgewandt ist.
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Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass der mindestens eine Behälter von einem entlang einer Längsachse des Wärmeübertragers verlaufenden Rohrleitungsabschnitt abgeht, über den das Gas in den mindestens einen Behälter einleitbar ist. Der mindestens eine Behälter ist also armförmig ausgebildet. Die Gaseinblasvorrichtung kann mehrere Behälter aufweisen, die jeweils in der oben beschriebenen Weise von dem Rohrleitungsabschnitt abstehen können. Zwischen den Behältern sind dann vorzugsweise Lücken vorhanden, durch die die flüssige Phase hindurchströmen kann.
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Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass der mindestens eine Behälter parallel zu der Unter- und der Oberseite einen kreissektorförmigen Querschnitt aufweist, sich also ausgehend vom Rohrleitungsabschnitt nach außen hin verbreitert.
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Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Wärmeübertrager eine Einrichtung zum Bereitstellen eines warmen Gases aufweist, die mit der Gaseinblasvorrichtung in Strömungsverbindung steht oder bringbar ist, so dass warmes Gas zum Verdampfen einer im Sumpf stehenden flüssigen Phase des ersten Mediums in den Sumpf über die Gaseinblasvorrichtung einleitbar ist. Die verdampfte flüssige Phase des ersten Mediums kann im Ergebnis als gasförmige Phase aus dem Mantelraum über einen Auslassstutzen abgezogen werden, der ohnehin zum Abziehen des ersten Mediums aus dem Mantelraum vorgesehen ist.
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Der Begriff „warmes“ bzw. „heißes“ Gas ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere so zu verstehen, dass das warme bzw. heiße Gas eine Temperatur aufweist, die es erlaubt, eine im Sumpf befindliche Phase des ersten Mediums durch Einleiten des Gases in den Sumpf mittels der Gaseinblasvorrichtung zu verdampfen.
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Die Einrichtung zur Bereitstellung des Gases kann z.B. in Strömungsverbindung mit dem Auslass zum Abziehen des ersten Mediums stehen und kann dazu ausgebildet sein, einen Teilstrom des abgezogenen ersten Mediums zu erwärmen und über die Gaseinblasvorrichtung dem Sumpf des Wärmeübertragers zuzuführen. Es ist auch denkbar, das zum Verdampfen der im Sumpf vorhandenen flüssigen Phase verwendete Gas auf andere Weise bereitzustellen.
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Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Gaseinblasvorrichtung in vertikaler Richtung unterhalb des Rohrbündels im Mantelraum bzw. im Sumpf des Wärmeübertragers angeordnet ist.
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Insbesondere ist bevorzugt vorgesehen, dass die Gaseinblasvorrichtung in vertikaler Richtung unterhalb des am Mantel vorgesehenen Auslasses angeordnet ist, der zum Abziehen des ersten Mediums aus dem Mantelraum dient. Hierdurch kann das mit Hilfe der Gaseinblasvorrichtung im Sumpf verdampfte erste Medium auf einfache Weise über den besagten Auslass aus dem Mantelraum abgezogen werden, um wieder in den entsprechenden (Kältemittel-)Kreislauf aufgenommen zu werden.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren, wobei bei dem Verfahren ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager verwendet wird.
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Das Verfahren sieht dabei vor, dass ein fluides erstes Medium (insbesondere ein Kältemittel) in den Mantelraum eingeleitet wird und dort vorzugsweise von oben auf das Rohrbündel aufgegeben wird, so dass das erste Medium Wärme eines im Rohrbündel geführten fluiden zweiten Mediums aufnimmt, wobei das erste Medium zumindest teilweise verdampft wird, und wobei das zweite Medium abgekühlt wird, und wobei eine sich im Sumpf ansammelnde flüssige Phase des ersten Mediums verdampft wird, indem über die Gaseinblasvorrichtung ein warmes Gas in die im Sumpf angesammelte flüssige Phase des ersten Mediums eingeleitet wird.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Gas eine gasförmige Phase des ersten Mediums ist.
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Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen, dass die mittels der Gaseinblasvorrichtung verdampfte flüssige Phase zusammen mit einer infolge der Wärmeübertragung im Mantelraum erzeugten gasförmigen Phase des ersten Mediums über den am Mantel oberhalb des Sumpfes bzw. oberhalb der Gaseinblasvorrichtung vorgesehenen Auslass des Wärmeübertragers aus dem Mantelraum des Wärmeübertragers abgezogen wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgende Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figur erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.
- 2A eine weitere mögliche Ausgestaltung der Gaseinblasvorrichtung des Wärmeübertragers;
- 2B eine Ausführungsform eines Arms der Gaseinblasvorrichtung nach 2A; und
- 2C eine alternative Ausgestaltung des Arms der Gaseinblasvorrichtung nach 2A.
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Die 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1.
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Der Wärmeübertrager 1 weist einen entlang einer vertikalen Längsachse z erstreckten Mantel 2 auf, der einen Mantelraum 4 des Wärmeübertrager 1 umgibt, der zur Aufnahme eines fluiden ersten Mediums M dient.
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Der Wärmeübertrager 1 weist weiterhin ein im Mantelraum 4 angeordnetes Rohrbündel 3 auf, das beispielhaft in der 1 in einer geschnittenen bzw. schematischen Ansicht gezeigt ist.
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Das Rohrbündel 3 weist dabei mehrere Rohre 30 zur Aufnahme zumindest eines fluiden zweiten Mediums M' auf, wobei die Rohre 30 insbesondere zumindest abschnittsweise helikal bzw. schraubenlinienförmig auf ein Kernrohr 300 des Wärmeübertragers 1 gewickelt sind, das sich entlang der Längsachse z im Mantelraum 4 erstreckt, so dass das Rohrbündel 3 eine oder mehrere Rohrlagen aufweist, die in einer radialen Richtung des Rohrbündels 3 übereinander angeordnet sind.
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Die Rohre 30 sind insbesondere unter Zwischenlage von Abstandshaltern auf eine Außenseite 300a des Kernrohres 300 gewickelt. Ferner ist am Mantel 2 ein mit dem Mantelraum 4 in Strömungsverbindung stehender Einlass 40 sowie ein mit dem Mantelraum 4 in Strömungsverbindung stehender Auslass 41 vorgesehen, die zum Einleiten bzw. Abziehen des ersten Mediums M aus dem Mantelraum 4 dienen. Der Einlass 40 bzw. der Auslass 41 kann jeweils in Form eines Stutzens ausgebildet sein.
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Das erste Medium M ist dabei so in den Mantelraum 6 einleitbar, dass es das Rohrbündel 3 insbesondere von oben beaufschlagt. Andere Strömungsführungen des ersten bzw. zweiten Mediums M, M' sind jedoch auch denkbar. Des Weiteren ist am Mantel 2 ein mit dem Rohrbündel 3 in Strömungsverbindung stehender Einlass 31 sowie ein mit dem Rohrbündel 3 in Strömungsverbindung stehender Auslass 32 vorgesehen, über die das zweite Medium M' in das Rohrbündel 3 einleitbar bzw. aus diesem abziehbar ist. Der Einlass 31 bzw. der Auslass 32 kann ebenfalls jeweils durch einen Stutzen gebildet sein.
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Das im Rohrbündel 3 geführte zweite Medium M' kann somit indirekt Wärme mit dem im Mantelraum 6 geführten ersten Medium M austauschen. Hierbei wird das insbesondere flüssig oder zweiphasig in den Mantelraum 4 eingeleitete erste Medium bzw. Kältemittel M verdampft und das im Rohrbündel 3 geführte zweite Medium M' abgekühlt. Wie eingangs dargelegt, kann es hierbei aufgrund einer Fehlverteilung des ersten Mediums M dazu kommen, dass dieses nicht vollständig im Mantelraum 4 verdampft wird, wobei sich ein Anteil des ersten Mediums M in Form einer flüssigen Phase F im Sumpf 4a des Mantelraums 4 ansammeln kann.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Wärmeübertrager 1 eine im Sumpf 4a angeordnete Gaseinblasvorrichtung 5 aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein Gas G in den Sumpf 4a des Wärmeübertragers 1 einzuleiten, so dass die flüssige Phase F im Sumpf 4a aufgrund der Wärme des Gases G verdampfbar ist und über den Auslass 41 aus dem Mantelraum 4 abziehbar ist.
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Hierzu ist die Gaseinblasvorrichtung 5 vorzugsweise dazu ausgebildet, ein Gas G, bei dem es sich vorzugsweise um eine entsprechend temperierte gasförmige Phase G des ersten Mediums M handelt, in die im Sumpf 4a stehende flüssige Phase F einzudüsen. Die Gaseinblasvorrichtung 5 kann hierzu eine Vielzahl an Düsen bzw. Auslassöffnungen 50 aufweisen. Die Gaseinblaseinrichtung 5 kann zumindest einen Behälter 51 aufweisen, der mit einem z.B. entlang der Längsachse z verlaufenden Rohrleitungsabschnitt 52a verbunden ist bzw. von diesem Abschnitt 52a abgeht, wobei das auszuströmende Gas G über diesen Rohrleitungsabschnitt 52a in den mindestens einen Behälter 51 gelangt. Die Auslassöffnungen 50 können z.B. in einer Oberseite bzw. einer Decke 51b des mindestens einen Behälters 51 vorgesehen sein, wie es in der 1 gezeigt ist. Die Auslassöffnungen 50 können jedoch auch an einer anderen Stelle des mindestens einen Behälters 51 angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist die Gaseinblasvorrichtung 5 in vertikaler Richtung z unterhalb des Auslasses 41 sowie vorzugsweise unterhalb des Rohrbündels 3 angeordnet.
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Der Wärmeübertrager 1 kann des Weiteren eine Einrichtung 6 zum Bereitstellen des warmen Gases G aufweisen, die gemäß 1 mit der Gaseinblasvorrichtung 5 in Strömungsverbindung steht oder bringbar ist, z.B. über eine Rohrleitung 52, die den besagten Rohrleitungsabschnitt 52a aufweist, so dass mittels der Einrichtung 6 erwärmtes Gas G zum Verdampfen der flüssigen Phase F über die Gaseinblasvorrichtung 5 in den Sumpf 4a einleitbar ist. Die Einrichtung 6 kann zum Beziehen des Gases G in Form einer gasförmigen Phase des ersten Mediums M z.B. über eine Strömungsverbindung 60 mit dem Auslass 41 des Wärmeübertragers 1 verbunden sein.
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Die Gaseinblasvorrichtung 5 kann in allen erdenklichen Arten ausgebildet sein. 2A zeigt eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Gaseinblasvorrichtung 5, bei der Behälter 51 zum Eindüsen des Gases G an einem unteren Ende eines das Gas G zuführenden Rohrleitungsabschnitts 52a vorgesehen sind bzw. von diesem abgehen. Der jeweilige Behälter 51 weist eine geschlossene Decke 51b auf, die eine Oberseite des Behälters 51 bildet, sowie einen der Decke 51b gegenüberliegenden Boden 51a, der eine Unterseite des Behälters 51 bildet. Gemäß 2A sind die Auslassöffnungen 50 in Form von Durchgangsöffnungen im Boden 51a bzw. in der Unterseite 51a des jeweiligen Behälters 51 ausgebildet (in den 2B und 2C sind die Auslassöffnungen 50 nicht gezeigt).
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Der jeweilige Behälter 51 kann insbesondere tortenstückartig ausgebildet sein. In diesem Fall weist der jeweilige Behälter, wie in den 2B und 2C gezeigt, einen Querschnitt auf, der parallel zu der Unterseite 51a bzw. parallel zu der Oberseite 51b im Wesentlichen kreissektorförmig ausgebildet ist bzw. in radialer Richtung zum Mantel 2 hin eine kontinuierlich wachsende Breite aufweist. Andere Querschnittsformen sind auch denkbar
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Zum Stabilisieren der Behälter 51 können diese, wie in den 2B und 2C gezeigt, jeweils zumindest eine Stabilisierungswand 53 aufweisen, die jeweils vorzugsweise den Boden 51a mit der Decke 51b des betreffenden Behälters 51 verbindet. Die Wand 53 kann z.B. nach Art der 2B in radialer Richtung verlaufen, d.h. zum Mantel 2 hin, oder quer zu dieser Richtung, wie in der 2C gezeigt ist.
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Aufgrund der Erfindung muss eine sich im Sumpf 4a ansammelnde flüssige Phase F des ersten Mediums bzw. des Kältemittels M nicht verworfen und später wieder nachgefüllt werden, was Kostenersparnisse zur Folge hat, den Betrieb der Anlage erleichtert und des Weiteren die Belastung der Umwelt erheblich reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmeübertrager
- 2
- Mantel
- 3
- Rohrbündel
- 4
- Mantelraum
- 4a
- Sumpf
- 5
- Gaseinblasvorrichtung
- 6
- Einrichtung zur Bereitstellung eines Gases
- 30
- Rohre
- 31
- Einlass
- 32
- Auslass
- 40
- Einlass
- 41
- Auslass
- 50
- Düsen / Auslassöffnungen
- 51
- Behälter
- 51a
- Boden bzw. Unterseite
- 51b
- Decke bzw. Oberseite
- 52
- Rohrleitung
- 52a
- Rohrleitungsabschnitt
- 53
- Stabilisierungswand
- 60
- Strömungsverbindung
- 300
- Kernrohr
- 300a
- Außenseite
- G
- Gas
- F
- Flüssige Phase
- M
- erstes Medium
- M'
- zweites Medium
- Z
- Längsachse
