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Die Erfindung betrifft eine thermisch isolierte Leitung mit einer medienführenden zentralen Rohrleitung, welche zumindest in einem Leitungsabschnitt von einem zu der Rohrleitung konzentrischen, mit dieser einen thermisch isolierenden Ringraum begrenzenden Mantelrohr eingeschlossen ist.
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Leitungssysteme mit einer solchen Leitung werden bereits seit langem verwendet, um Fernwärme durch im Erdreich verlegte Rohre zu transportieren. Dabei kommen Fernwärmewasser oder Fernwärmedampf oder andere temperierte Wärmemedien zum Einsatz, die in einem Innenrohr geführt sind.
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Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei der Übertragung von Fernwärme zu erzielen, muss eine Abkühlung des Wärmemediums möglichst verhindert werden, und zu diesem Zweck ist die zentrale Rohrleitung mit einer ringförmigen Isolierung umgeben. Außerdem werden die zentrale Rohrleitung sowie die ringförmige Isolierung noch von einem Mantelrohr umhüllt, welches als äußeres Schutzrohr dient.
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Das Mantelrohr kommt direkt mit dem Erdreich in Verbindung, und um einen Schutz gegen Korrosion zu gewährleisten, ist das Mantelrohr auf seiner Außenfläche mit einem Korrosionsschutz versehen, welcher durch eine Schicht aus Bitumen oder PE (Polyethylen) gebildet werden kann.
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Derartige thermisch isolierte Leitungen sind beispielsweise aus der
AT 318 331 B , der
DE 197 56 415 C2 und der
DE 198 37 317 C1 bekannt, die für den oberirdischen, aber auch für den unterirdischen Transport genutzt werden und sich auch für den Transport von Kondensat, Thermoöl oder umweltgefährdenden Medien eignen.
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Die Temperaturen in der zentralen Rohrleitung können je nach den zu transportierenden kalten oder heißen Medien im Temperaturbereich zwischen -200°C und 400°C liegen, teilweise sind auch noch höhere Temperaturen zu berücksichtigen.
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Die erforderliche Isolierschicht besteht aus einem Dämmstoff, der insbesondere eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Der Ringraum wird darüber hinaus unter Unterdruck gesetzt, um die Wärmeleitung noch weiter herabzusetzen.
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Für den Transport kryogener Flüssigkeiten bei sehr tiefen Temperaturen, beispielsweise von Flüssigerdgas, wird in der
US 7 494 155 B2 ein Rohrsystem aus drei koaxialen Rohren vorgeschlagen, bei dem im innersten Rohr die kryogene Flüssigkeit transportiert wird. Zwischen ihnen sind Isolierschichten angeordnet. Feste Verbindungselemente stützen kraftschlüssig die Rohre in voneinander getrennten Bereichen aneinander ab. Die Verbindungselemente zentrieren die Rohre. Die getrennten Bereiche werden gewählt, um eine Wärmeleitung vom innersten Rohr zum äußersten Rohr zu reduzieren.
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Bei einem aus der
DE 10 2009 050 072 A1 bekannten Rohrsystem ist zwischen der Isolierschicht und dem Mantelrohr koaxial ein Zwischenrohr angeordnet. Zwischen dem Innenrohr und dem Zwischenrohr wird ein erster Ringraum gebildet, in dem sich die Isolierschicht befindet, dass zwischen dem Zwischenrohr und dem Mantelrohr ein zweiter Ringraum angeordnet ist, wobei Abstützelemente vorgesehen sind, die eine Bewegung des Innenrohrs relativ zum Mantelrohr längs der Achse erlauben.
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Zur Entkopplung von Elektrizitäts- und Wärmeerzeugung wurde schon vorgeschlagen, Wärmespeicher zwischen Kraftwerk und Fernwärmenetz einzuschalten. Bei einem Entnahme-Kondensationskraftwerk beispielsweise können die Wärmespeicher in Schwachlastzeiten der Stromerzeugung aufgeladen und bei erhöhtem Wärmebedarf bzw. in Spitzenlastzeiten der Stromerzeugung, wenn keine Wärme ausgekoppelt werden kann, in das Fernwärmenetz entladen werden. Die Speicherung des Heißwassers kann sowohl in drucklosen als auch in Druckwärmespeichern erfolgen. Solche Wärmespeicher sind beispielsweise aus der
DE 1 214 701 B bekannt, wobei die Speicherwärme einmal in ein Fernwärmenetz, aber auch wieder in den Wasserdampfkreislauf des Kraftwerks zur kurzfristigen Erhöhung der Spitzenlast entladen werden kann.
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Bei der Versorgung von Fernwärmenetzen mit Wärme aus einem Wärmekraftwerk werden gemäß der
EP 0 067 841 B1 ein oder mehrere kraftwerksnahe Wärmespeicher am Anfang einer Fernwärmevor- und -rücklaufleitung eingesetzt. Das Speichermedium, vorzugsweise Wasser, wird auf eine Temperatur unter 100°C aufgewärmt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dezentrale Wärmespeichermöglichkeit zu schaffen. Weiterhin soll eine Möglichkeit geschaffen werden, durch ein Wärmeträgrefluid der Fernwärmeleitung bedarfsweise dezentral thermische Energie einzukoppeln, um so auch außerhalb des Kraftwerks anfallende thermische Energie nachhaltig nutzen zu können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Leitung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist also eine Leitung vorgesehen, bei der die zentrale Rohrleitung der Leitung in zumindest einem ersten Leitungsabschnitt entlang der Haupterstreckung der Leitung von dem den thermisch isolierenden Ringraum einschließenden Mantelrohr und in zumindest einem weiteren Leitungsabschnitt von einem mit der zentralen Rohrleitung einen konzentrischen durchströmbaren Ringraum als Wärme- oder Kältespeicher bzw. als Wärmetauscher begrenzenden Rohrleitungsabschnitt eingeschlossen ist. Hierdurch wird erstmals die Möglichkeit geschaffen, in dem weiteren Leitungsabschnitt bedarfsweise eine dezentrale Einkopplung thermischer Energie zu realisieren, indem der die zentrale Rohrleitung umgebende Ringraum in diesem Leitungsabschnitt von einem Wärmeträgerfluid durchströmt werden kann. Bei einer einfachen Variante der Erfindung wird der Leitungsabschnitt durch zwei in dem Mantelrohr angeordnete Trennelemente geschaffen, die den Ringraum in Längsrichtung begrenzen. Anstelle der in dem ersten Leitungsabschnitt vorhandenen thermischen Isolierung wird dem Ringraum in dem zweiten oder auch einem weiteren Leitungsabschnitt ein Fluid zugeführt, welches beispielsweise thermische Energie aus Abwärme enthält. Dadurch werden die Voraussetzungen geschaffen, um vor allem den entlang des Leitungssystems anliegenden öffentlichen oder privaten Einrichtungen, insbesondere Gewerbebetrieben, die Möglichkeit zu geben, ungenutzte thermische Energie einer sinnvollen und nachhaltigen weiteren Nutzung zuzuführen. Hierzu kann in einem vorhandenen Leitungssystem der zuvor zu Isolierzwecken genutzte Ringraum in Längsrichtung abgeteilt und zur Durchströmung mit Anschlüssen versehen werden, sodass eine Nachrüstung bestehender Leitungen problemlos möglich wird. Selbstverständlich bleibt dieser Leitungsabschnitt nicht unisoliert, sondern es wird eine im Durchmesser entsprechend erweiterte thermische Isolierung in dem zweiten Leitungsabschnitt aufgebracht, die ihrerseits von einem Mantelrohr eingeschlossen sein kann. Um die gewünschte thermische Isolierung sicherzustellen, kann der Ringraum einen Dämmstoff enthalten und/oder ein Vakuum aufweisen. Dieses an den Rohrleitungsabschnitt entsprechend angepasste Mantelrohr kann zur einfachen Montage schalenförmig ausgeführt sein und beispielsweise aus zwei Halbschalen bestehen, die auch bereits ein Isoliermaterial tragen können. Das Mantelrohr ist dabei in diesem Leitungsabschnitt nicht zwingend konzentrisch angeordnet und kann beliebige Querschnittsformen aufweisen, wobei sich kreisförmige Querschnittsformen bereits als besonders praxisgerecht erwiesen haben. Dabei ist der so geschaffene Ringraum nicht auf eine ständige Durchströmung beschränkt. Vielmehr kann auch ein zeitweise ruhendes Fluidvolumen als ein thermischer Puffer aufgrund seiner Wärmekapazität sinnvoll genutzt werden. Die erfindungsgemäße Leitung ist nicht auf Wärmeträgerfluide beschränkt. Alternativ kann die Leitung auch zum Transport kryogener Kraftstoffe oder Kühlmittel verwendet werden.
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In dem weiteren Leitungsabschnitt könnte das vorhandene Mantelrohr genutzt werden, um durch Abtrennungen den vorhandenen Ringraum als medienführendes Volumen zu nutzen. Bevorzugt kann das vorhandene Mantelrohr in diesem weiteren Leitungsabschnitt jedoch auch entfernt und durch den gegenüber dem Mantelrohr im Querschnitt wesentlich erweiterten Rohrleitungsabschnitt ersetzt werden, um so das Volumen des Ringraums in diesem Leitungsabschnitt zu erhöhen. Demensprechend ist sowohl der erste Leitungsabschnitt von einem ersten Mantelrohr als auch der zweite Leitungsabschnitt von einem mit dem ersten Mantelrohr verbundenen zweiten Mantelrohr eingeschlossen, welcher jeweils einen thermisch isolierenden Ringraum mit der zentralen Rohrleitung oder der medienführenden Rohrleitung einschließt. Die beiden Mantelrohre sind dabei in einem Übergangsbereich insbesondere mittels eines Zwischenstücks dauerhaft und druckdicht, beispielsweise durch eine Schweißverbindung, unlösbar verbunden, wobei selbstverständlich auch in dem Übergangsbereich die erforderliche thermische Isolierung vorgesehen ist.
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Aufgrund unterschiedlicher thermischer Dehnungen der verschiedenen Rohre und Rohrleitungsabschnitte ist eine geeignete Längenkompensation erforderlich. Diese könnte mittels eines als Faltenbalg oder Wellrohr ausgeführten Abschnitts realisiert werden. Besonders vorteilhaft ist es hingegen, wenn in dem jeweiligen Ringraum ein Abstandshalter angeordnet ist, welcher mittels eines mit einem drehbeweglichen, zumindest abschnittsweise sphärischen Rollkörpers und/oder Gleitkörpers gegenüber dem umgebenden Mantelrohr oder dem Rohrleitungsabschnitt abgestützt ist. Dieser insbesondere kugelförmige Rollkörper reduziert nicht nur die Kontaktfläche zwischen dem Abstandshalter und dem umgebenden Rohr und damit die unerwünschte Wärmebrücke zwischen der medienführen zentralen Rohrleitung und der Umgebung, sondern ist auch in einem weiten Spektrum unterschiedlicher Leitungsdurchmesser einsetzbar. So kann der Abstandshalter beispielsweise auch modular oder verstellbar ausgeführt sein, um so eine Anpassung an den jeweiligen Durchmesser des umgebenden Rohrs vornehmen zu können, ohne dass hierzu eine Vielzahl unterschiedlicher Abstandshalter erforderlich werden. Der Roll- oder Gleitkörper kann dabei um eine Achse rotationsbeweglich mit dem Abstandshalter verbunden sein oder in einem Käfig ähnlich einem Kugellager insbesondere verliersicher geführt sein. Hierzu weisen die radialen Stützstreben an ihrem der zentralen Rohrleitung oder dem Rohrleitungsabschnitt abgewandten, radial außenliegenden Endbereich eine Aufnahme für den Rollkörper und/oder Gleitkörper auf.
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Eine andere, ebenfalls besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung betrifft die konzentrische Anordnung und Lagerung des Mantelrohrs und/oder des medienführenden Rohrleitungsabschnitts auf der zentralen Rohrleitung. Indem der Abstandshalter mehrere, insbesondere über den Umfang gleichverteilt angeordnete radiale Stützstreben aufweist, die mit ihrer radial innenliegenden Stirnfläche an der zentralen Rohrleitung oder dem Rohrleitungsabschnitt anliegen, sind die Wärmeübergangsflächen auf ein Minimum reduziert. Der Abstandshalter ist hierzu in seiner Grundform stern- oder strahlenförmig ausgeführt, wobei die einzelnen Stützstreben durch Querstreben verbunden sein können, um so die Steifigkeit der Anordnung zu verbessern. Neben der auf die Stirnflächen der Stützstreben beschränkten Wärmeübergangsfläche wird so auch der Strömungswiderstand in dem Ringraum im Bereich des medienführenden Rohrleitungsabschnitts vermindert.
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Die Ein- und Auslassöffnung für den durchströmbaren Rohrleitungsabschnitt könnten in einer stirnseitigen Begrenzungsfläche des Rohrleitungsabschnitts vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft ist es hingegen, wenn der Rohrleitungsabschnitt eine umfangsseitige Einlassöffnung sowie eine von dieser in Richtung der Haupterstreckung der Fernwärmeleitung insbesondere maximal beabstandete Auslassöffnung aufweist.
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Vorzugsweise ist der Rohrleitungsabschnitt einteilig mit dem ersten Mantelrohr verbunden, sodass in dem ersten Abschnitt der Ringraum zwischen der medienführenden zentralen Rohrleitung und dem Mantelrohr als thermische Isolierung und in dem zweiten Abschnitt der Ringraum zwischen der medienführenden zentralen Rohrleitung und dem als Rohrleitungsabschnitt dienenden Mantelrohr als medienführende Leitung dient. Hierdurch lässt sich die Leitung kostengünstig herstellen und bedarfsweise an die jeweiligen Anforderungen problemlos anpassen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird im Rahmen des konstruktiven Spielraums zusätzlich noch gelöst durch eine thermisch isolierte, insbesondere als eine Fernwärmeleitung ausgeführte Leitung mit einer medienführenden zentralen Rohrleitung, die von einem einen konzentrischen durchströmbaren Ringraum begrenzenden medienführenden Rohrleitungsabschnitt eingeschlossen ist, der seinerseits von einem zu der Rohrleitung konzentrischen, mit dieser einen thermisch isolierenden Ringraum begrenzenden Mantelrohr eingeschlossen ist.
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Der Erfindung liegt dabei die überraschend einfache Erkenntnis zugrunde, dass eine solche Anordnung von zwei konzentrischen, medienführenden Leitungen, nämlich einerseits die zentrale Rohrleitung, andererseits der mit dieser den Ringraum begrenzenden Rohrleitungsabschnitt, in einer einzigen Leitung ein Vorlauf und ein Rücklauf realisiert werden kann, wie dies beispielsweise bei Fernwärmeleitungen erforderlich ist. Dabei lässt sich die erfindungsgemäße Leitung nicht nur im Vergleich zu an sich bekannten isolierten separaten Leitungen von Vor- und Rücklauf kostengünstiger herstellen sowie installieren und im Boden verlegen, sondern führt aufgrund der insgesamt reduzierten Umfangsfläche als Kontaktfläche beispielsweise zu dem umgebenden Erdreich zu verminderten Wärmeverlusten. Entgegen dem Vorurteil in der Fachwelt, dass die lediglich stofflich, hingegen nicht thermisch getrennten konzentrischen Leitungen für den Vor- und Rücklauf zu Problemen bzw. Verlusten in dem Heizkreislauf führen, hat sich gezeigt, dass die thermischen Verluste im Verhältnis zu separaten Einzelleitungen sogar noch reduziert werden konnten.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Leitung ist der Rohrleitungsabschnitt druckfest ausgeführt, um so bedarfsweise auch Wärmeträgerfluide mit hohen Temperaturen und mit einem hohen Druck zuführen zu können. Die Verwendung ist dadurch nicht auf den Niedertemperaturbereich beschränkt und erlaubt somit auch die Nutzung von Wärmeträgerfluiden auf hohem Temperaturniveau, die zudem auch gasförmig sein können.
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Vorzugsweise ist jeweils der radial außenliegende Ringraum durch ein Vakuum und/oder einen thermisch isolierenden Dämmstoff isoliert.
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Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
- 1 eine geschnittene Seitenansicht einer Leitung mit zwei Leitungsabschnitten;
- 2 eine perspektivische Darstellung eines Leitungssystems mit zwei Leitungen;
- 3 eine geschnittene Vorderansicht der Leitung mit zwei Abstandshaltern;
- 4 eine perspektivische Darstellung der Leitung mit den beiden Abstandshaltern gemäß der 3;
- 5 eine geschnittene Seitenansicht eines Leitungssystems mit zwei einen Vorlauf und einen Rücklauf bildenden Leitungen.
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Eine erfindungsgemäße Leitung 1 mit einer medienführenden zentralen Rohrleitung 2 wird nachstehend anhand der 1 bis 4 näher erläutert. Wie insbesondere in der 1 zu erkennen, hat die Leitung 1 einen ersten Leitungsabschnitt I, in dem die zentrale Rohrleitung 2 von einem konzentrischen Mantelrohr 3 eingeschlossen ist, und einen thermisch isolierenden Ringraum 4 bildet. In einem an den ersten Leitungsabschnitt I angrenzenden zweiten Leitungsabschnitt II ist die an sich unveränderte zentrale Rohrleitung 2 von einem einen konzentrischen durchströmbaren, Ringraum 5 begrenzenden medienführenden Rohrleitungsabschnitt 6 eingeschlossen, welcher seinerseits von einem weiteren, im Querschnitt erweiterten konzentrischen Mantelrohr 7 eingeschlossen ist, um eine thermische Isolierung sicherzustellen. In einem vergrößert dargestellten Übergangsbereich 8 ist zusätzlich eine stirnseitige Isolierung 9 vorgesehen.
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Durch die abschnittsweise Erweiterung der Leitung 1 durch den konzentrischen Rohrleitungsabschnitt 6 als Zwischenrohr wird eine dezentrale Einkopplung thermischer Energie ermöglicht, indem der Rohrleitungsabschnitt 6 als Wärmetauscher für ein stofflich von der zentralen Rohrleitung 2 getrenntes Wärmeträgerfluid dient.
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Um die gewünschte Durchströmung zu ermöglichen, hat der Rohrleitungsabschnitt 6 eine umfangsseitige Einlassöffnung 10 sowie eine von dieser in Richtung der Haupterstreckung der Leitung 1 beabstandete, ebenfalls radiale Auslassöffnung 11. In der in der 2 dargestellten Variante eines Leitungssystem mit zwei Einzelleitungen bilden zwei Leitungen 1 jeweils einen Zulauf oder einen Rücklauf des Leitungssystems, wobei die thermische Energieeinkopplung durch die Verbindung der jeweiligen Leitungsabschnitte II zugleich in beide parallele Leitungen 1 erfolgt.
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In den beiden Ringräumen 4, 5 ist jeweils ein Abstandshalter 12, 13 angeordnet, dessen radiale Stützstreben 14 radial außenseitig mittels mehrerer kugelförmiger Rollkörper 15 gegenüber dem umgebenden Mantelrohr 3, 7 bzw. dem umgebenden Rohrleitungsabschnitt 6 abgestützt ist. In seinem radial innenliegenden Endbereich sind die Stützstreben 14 mit ihrer Stirnfläche an der zentralen Rohrleitung 2 oder dem Rohrleitungsabschnitt 6 abgestützt und haben dadurch lediglich eine geringe Kontaktfläche, sodass insbesondere in Verbindung mit einer geeigneten Materialauswahl eine Kältebrücke vermieden wird. Zudem weisen die Stützstreben 14 einen geringen Strömungswiderstand gegenüber dem den Ringraum 5 in dem Rohrleitungsabschnitt 6 durchströmenden Wärmeträgerfluid auf.
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In der 5 ist noch eine Variante eines Leitungssystems dargestellt, bei welcher in dem ersten Leitungsabschnitt I zwei separate, mit jeweils einer zentralen, einen Vorlauf 16 bzw. einen Rücklauf 17 bildenden Rohrleitung 2 ausgestattete Leitungen 1 von einem thermisch isolierenden Ringraum 4 und einem konzentrischen Mantelrohr 3 eingeschlossen sind. Diese separaten, insbesondere parallel geführten Leitungen 1 sind in dem zweiten Leitungsabschnitt II zusammengeführt, in dem die zentrale Rohrleitung 2 von dem durchströmbaren Ringraum 5 eingeschlossen ist, welcher seinerseits von dem konzentrischen Mantelrohr 7 zur thermischen Isolierung umgeben ist. In diesem zweiten Leitungsabschnitt II bildet also die zentrale Rohrleitung 2 den Vorlauf 16 und der Ringraum 5 den Rücklauf 17, wobei der durchströmbare Leitungsquerschnitt des Rücklaufs 17 in den beiden Leitungsabschnitten I und II zumindest annähernd übereinstimmend ausgeführt ist. Selbstverständlich kann bei einer nicht dargestellten Variante in konstruktiv übereinstimmender Bauform der Ringraum 5 auch dem Vorlauf 16 zugeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leitung
- 2
- Rohrleitung
- 3
- Mantelrohr
- 4
- Ringraum
- 5
- Ringraum
- 6
- Rohrleitungsabschnitt
- 7
- Mantelrohr
- 8
- Übergangsbereich
- 9
- Isolierung
- 10
- Einlassöffnung
- 11
- Auslassöffnung
- 12
- Abstandshalter
- 13
- Abstandshalter
- 14
- Stützstrebe
- 15
- Rollkörper
- 16
- Vorlauf
- 17
- Rücklauf
- I, II
- Leitungsabschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- AT 318331 B [0005]
- DE 19756415 C2 [0005]
- DE 19837317 C1 [0005]
- US 7494155 B2 [0008]
- DE 102009050072 A1 [0009]
- DE 1214701 B [0010]
- EP 0067841 B1 [0011]
