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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lamellenrohr-Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Wärmeübertrager ist beispielsweise aus der ebenfalls auf die Anmelderin zurückgehenden
DE 10 2014 08 600 A1 bekannt. Bei diesem Wärmeübertrager ist ein aus mehreren aneinander gereihten Lamellen bestehendes Lamellenpaket gebildet. In diesem Lamellenpaket verläuft ein aus mehreren miteinander verbundenen und übereinander und / oder nebeneinander angeordneten Kältemittelrohren gebildeter Kältemittelkreislauf. Zum Temperaturaustausch wird das Lamellenpaket von Luft durchströmt und es findet zwischen der Luft und dem Kältemittelkreislauf eine Wärmeübertragung statt.
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Aufgabe der Erfindung
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Bei der Auslegung derartiger Lamellenrohr-Wärmeübertrager soll die verwendete Menge des Kältemittels, beispielsweise R290, reduziert werden, weil das Kältemittel unter anderem leicht brennbar ist. Bislang wurde zur Reduktion der Kältemittelmenge der Rohrdurchmesser der Kältemittelrohre reduziert. Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Lamellenrohr-Wärmeübertrager für den Betrieb mit einer reduzierten Kältemittelmenge zu verbessern.
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Diese Aufgabe ist durch den Lamellenrohr-Wärmeübertrager gemäß Anspruch 1, einen Verdampfer nach Anspruch 6 und eine Wärmepumpe nach Anspruch 7 gelöst.
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Die Erfindung beruht auf der Grundüberlegung, die das Kältemittel in dem Wärmeübertrager an richtigen Stellen zu verteilen, um eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit in dem Wärmeübertrager zu erhalten . Eine erste Kältemittelverteilung findet regelmäßig aber nicht zwangsweise in einem dem Wärmeübertrager vorgelagerten Verteiler statt. Dort wird der Kältemittelstrom mit mehreren Kapillaren auf mehrere Kältemittelrohre und damit mehrere Kältemittelstränge im Wärmeübertrager aufgeteilt. Ein Kältemittelstrang wird dabei von mehreren übereinander und/oder nebeneinander angeordneten Kältemittelrohren gebildet, die über Verbindungsstücke, üblicherweise U-Bögen miteinander verbunden sind. Gemäß der Erfindung werden diese Kältemittelstränge im Wärmeübertrager weiter aufgeteilt. Erfindungsgemäß wird dafür ein Rohrverbinder verwendet, der einen Zulauf aus einem mit den Kapillaren verbundenen Rohr aufweist und zwei Abläufe, an welche jeweils ein weiteres Kältemittelrohr angeschlossen ist.
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Mit der Erfindung ist es so möglich, im Wärmeübertrager die Kältemittelstränge weiter aufzuteilen und dadurch ihre Anzahl beispielsweise zu verdoppeln. Dabei kann die Strömungsgeschwindigkeit über den Prozess relativ konstant gehalten werden. Beim Einsatz eines erfindungsmäßigen Lamellenrohr-Wärmeübertragers in einem Verdampfer beispielsweise einem Verdampfer einer Wärmepumpe können Druckverluste, welche in der Gasphase entstehen, reduziert werden. In der flüssigen Phase des Verdampfungsprozesses wird die Wärmeübertragung durch eine höhere Strömungsgeschwindigkeit verbessert.
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Darüber hinaus ist es möglich, den erfindungsmäßigen Rohrverbinder mit einem Zulauf und mit zwei Abläufen an verschiedenen Stellen eines Kältemittelstrangs zu positionieren, wodurch das Verhältnis der Verbesserung hinsichtlich der Druckverluste in der Gasphase und der Wärmeübertragung in der flüssigen Phase gezielt beeinflusst und gleichsam eingestellt werden kann.
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Durch die erfindungsmäßige zweite Aufteilung der Kältemittelstränge von einem Kältemittelstrang auf zwei nachgelagerte Kältemittelstränge mit Hilfe des Rohrverbinders mit einem Zulauf und mit zwei Abläufen kann bei gleicher Rohranzahl im Lamellenrohr-Wärmeübertrager die Anzahl der wirksamen Kältemittelstränge erhöht werden bei gleichzeitiger Beibehaltung der Gesamtanzahl von im Lamellenrohr-Wärmeübertrager angeordneten Rohren. Hierdurch lässt sich die Kältemittelmenge reduzieren bei gleichzeitiger Verbesserung der Betriebsstabilität.
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Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, den Kältemittelmassenstrom bei der Einleitung in den Lamellenrohr-Wärmeübertrager nicht am Verteiler vollständig aufteilen zu müssen, sondern diese Aufteilung schrittweise durchzuführen. Dadurch kann die Anzahl der Kapillare am Verteiler reduziert werden, was den Bauraum des Verteilers signifikant verkleinert und zugleich die Montage der Komponenten am Lamellenrohr-Wärmeübertrager vereinfacht.
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Zugleich wird die Strömungsgeschwindigkeit über den Wärmeübertragungsprozess relativ konstant gehalten. Die Wärmeübertragung wird insbesondere infolge der höheren Strömungsgeschwindigkeit im flüssigen Teil des Wärmeübertragers gegenüber dem Stand der Technik verbessert bei gleichzeitiger Reduzierung der Druckverluste. Durch die zweite Aufteilung der Kältemittelstränge nach dem Verteiler erhöht sich die thermische Länge des Lamellenrohr-Wärmeübertragers, weil der einzelne Kältemittelstrang auf zwei Kältemittelstränge aufgeteilt wird bei gleichzeitiger Beibehaltung der Anzahl der im Lamellenrohr-Wärmeübertrager angeordneten Kältemittelrohre.
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In weiteren Ausführungen kann durch die Aufteilung mittels der erfindungsgemäßen Rohrverbinder sogar vollständig auf einen vorgelagerten Verteiler verzichtet werden. Der Verteiler ist gegenüber den Rohrverbindern deutlich kostenintensiver, so dass erfindungsgemäß ein günstigerer Lamellenrohr-Wärmeübertrager umsetzbar ist.
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Die Verwendung eines U-förmigen Ablaufrohres am Rohrverbinder ist vorteilhaft, weil die einzelnen nebeneinander und/oder übereinander angeordneten Kältemittelrohre auch nach dem Stand der Technik durch sogenannte U-Bögen miteinander verbunden sind. Während bei den U-Bögen nach dem Stand der Technik das eine Ende des U-Bogens den Zulauf und das andere Ende den Ablauf bildet, sind gemäß der Erfindung beim Rohrverbinder beide Enden als Abläufe wirksam. Der Zulauf erfolgt durch ein weiteres Bogenstück am Rohrverbinder, welches mit dem U-förmigen Ablaufrohr verbunden ist. Hierbei wird vorteilhaft ein C-förmiges Bogenstück verwendet, welches der Hälfte des üblichen U-Bogens entspricht. Zur symmetrischen Aufteilung des Kältemittelmassenstroms ist das C-förmige Zulaufrohr exakt mittig am U-förmigen Ablaufrohr angeschlossen. Auf diese Weise kann die bisherige Anordnung der Kältemittelrohre im Lamellenrohr-Wärmeübertrager unverändert beibehalten werden.
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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind die erfindungsmäßigen Rohrverbinder mit einem Zulauf und zwei Abläufen an das mit den Kapillarrohren verbundene Kältemittelrohr am Anfang eines Kältemittelstrangs angeschlossen. Um den Druckverlauf und/oder den Strömungsverlauf im Kältemittelstrang zu beeinflussen, können die erfindungsmäßigen Rohrverbinder mit einem Zulauf und mit zwei Abläufen auch an einer anderen Stelle im Lamellenrohr-Wärmeübertrager angeordnet sein. Die zweite Aufteilung des Kältemittelmassenstromes kann also auch erst mit größerer Distanz zum Verteiler erfolgen.
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In weiteren Ausführungsformen können auch im Verlauf des Kältemittelstrans mehrere erfindungsgemäße Rohrverbinder angeordnet sein, das heißt, dass durch die Rohrverbinder auch eine stufenweise Verzweigung bzw. Aufteilung vorgesehen ist.
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Anhand von Ausführungsbeispielen ist die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 oben eine Darstellung des erfinderischen Rohrverbinders mit Sicht auf die Zulauföffnung des Zulaufs und die jeweiligen Ablauföffnungen der beiden Abläufe und unten den Schnitt x-x,
- 2 drei Ansichten des Rohrverbinders aus 1 mit Lötringen am Zulauf und an den beiden Abläufen,
- 3 die Seitenansicht eines erfindungsmäßigen Lamellenrohr-Wärmeübertragers,
- 4 die Frontalansicht der Anfangslamelle des Lamellenrohr-Wärmeübertragers gemäß Pfeil IV in 3 im linken Teil vollständig und im rechten Teil unter Fortlassung einiger Rohrbögen mit freiem Blick auf die Rohrverbinder und
- 5 die Frontalansicht der Endlamelle des Lamellenrohr-Wärmeübertragers gemäß Pfeil V in 3.
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1 zeigt einen erfindungsmäßigen Rohrverbinder 1 mit einem Zulauf 2 und mit zwei Abläufen 3. Die Abläufe 3 sind im Ausführungsbeispiel die Enden eines U-förmigen Ablaufrohres 4. Dies ist im unteren der Teil der 1, welche den Schnitt x - x zeigt, besonders gut sichtbar. Der Zulauf 2 ist Bestandteil eines C-förmigen Zulaufrohres 5. Mittig zwischen den Abläufen 3 steht aus dem Ablaufrohr 4 ein Rohrstutzen 6 ab. Im Ausführungsbeispiel ist das Zulaufrohr 5 mit dem Rohrstutzen 6 an einer Nahtstelle 7 verbunden. Vorzugsweise ist das Zulaufrohr 5 an der Nahtstelle 7 mit dem Rohrstutzen 6 verlötet.
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Zur besseren Montierbarkeit des Rohrverbinders 1 an den Kältemittelrohren 8 des Lamellenrohr-Wärmeübertragers 9 sind auf den Außenwänden sowohl des Ablaufrohres 4 als auch des Zulaufrohres 5 Lötringe 10 verpresst. Die Lötringe 10 sind mit Abstand zu den Enden des Ablaufrohres 4 und damit zu den Abläufen 3 bzw. zum Ende des Zulaufrohres 5 und damit zum Zulauf 2 angeordnet. Dieser Abstand zwischen dem Lötring 10 und dem Zulauf 2 bzw. den Abläufen 3 schafft einen Einführungsschnitt 11, mit welchem das Zulaufrohr 5 mit seinem Zulauf 2 bzw. das Ablaufrohr 4 mit seinen Abläufen 3 in das jeweils zugeordnete Kältemittelrohr 8 eingeführt wird. Der Einführungsabschnitt 11 wird dabei einfach in das Ende des Kältemittelrohrs 8 eingeschoben und der Lötring 10 bildet einen Anschlag für das Zulaufrohr 5 bzw. das Ablaufrohr 4 im jeweiligen Kältemittelrohr 8. Mit dem Lötring werden die Rohrverbinder 1 mit den Kältemittelrohren 8 verlötet.
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Die Verwendung der Begriffe Zulauf 2 und Ablauf 3 beruht auf der in einer hauptsächlichen Betriebsrichtung, nachfolgend auch als „Normalbetrieb bezeichnet, des Lamellenrohr-Wärmeübertragers 9 durch den Rohrverbinder 1 fließenden Strömungsrichtung des Kältemittels. Bei einem Einsatz in Wärmepumpen ist dies der Heizbetrieb. Ebenso ist bekannt, dass Kältekreise insbesondere für Wärmepumpen in verschiedenen Betriebssituationen wie beispielsweise einem Kühlbetrieb umgekehrt werden, also in entgegengesetzter Strömungsrichtung betrieben werden. Im Falle einer Kreisumkehr sorgt der Rohrverbinder 1 also nicht für eine Verteilung sondern eine Zusammenführung von zwei auf ein Kältemittelrohr 8.
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3 zeigt den Lamellenrohr-Wärmeübertrager 9. Zwischen einer Anfangslamelle 13 und der Endlamelle 14 verlaufen mehrere übereinander und nebeneinander angeordnete Kältemittelrohre 8. In diesen Kältemittelrohren 8 durchströmt das Kältemittel das Lamellenpaket 12, welches in 3 nur schematisch angedeutet gezeichnet ist.
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Vor der Anfangslamelle 13 ist ein Verteiler montiert (nicht gezeigt). Der Verteiler weist eine Vielzahl von Kapillarrohren (nicht gezeigt) auf. Die Kapillarrohre münden jeweils in ein Kältemittelrohr 8 und verteilen so das Kältemittel in einer ersten Verteilung auf mehrere Kältemittelrohre 8. Diese mit den Kapillarrohren verbundene Kältemittelrohre 8 bilden jeweils den Anfang eines Kältemittelstrangs. Der Kältemittelstrang besteht aus mehreren übereinander oder nebeneinander angeordneten, das Lamellenpaket 12 durchströmenden Kältemittelrohren 8. Diese Kältemittelrohre 8 sind miteinander verbunden. Durch ein Kapillarrohr strömt Kältemittel in ein Kältemittelrohr 8 und wird über dieses Kältemittelrohr 8 von der Anfangslamelle 13 zur Endlamelle 14 geleitet. An der Endlamelle 14 sind U-Bögen 17 angebracht, welche zwei Kältemittelrohre miteinander derart verbinden, dass das Kältemittel, welches zunächst vom Kapillarrohr in ein Kältemittelrohr 8 eingeströmt ist und zur Endlamelle 14 geleitet wurde über den U-Bogen 17 über ein weiteres Kältemittelrohr 8 wieder von der Endlamelle 14 zur Anfangslamelle 13 zurückgeleitet wird und so weiter.
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Nach Durchströmen des Lamellenrohr-Wärmeübertragers 9 tritt das Kältemittel aus mehreren Austrittsrohren 16 aus, die dann in ein gemeinsames Sammelrohr 15 münden.
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Die Kältemittelrohre 8 sind üblicherweise in sogenannten Reihen angeordnet, die in einer Luftströmungsrichtung durch den Lamellenrohr-Wärmeübertrager 9 nacheinander umströmt werden. Die Kältemittelrohre 8 benachbarer Reihen können in Luftströmungsrichtung direkt hintereinander oder beispielsweise versetzt zueinander angeordnet sein. in 4 und 5 ist das Beispiel mit versetzten Reihen exemplarisch gezeigt. In 4 ist die Luftströmungsrichtung L mit einem Pfeil angedeutet.
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Die Verbindung der Kältemittelrohre 8 insbesondere über verschiedene Reihen hinweg zu den Külmittelsträngen wird auch als Verstrickung bezeichnet. Die Reihen werden üblicherweise durchgezählt, wobei die Reihe der Kältemittelrohre 8, durch die das Kältemittel in einem Normalbetrieb zunächst strömt, als erste Reihe bezeichnet wird. Die in Luftströmungsrichtung benachbarte Reihe wird dann als zweite Reihe bezeichnet und so weiter, bis das Kältemittel üblicherweise in der letzten Reihe aus dem Lamellenrohr-Wärmeübertrager 9 austritt.
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5 zeigt mehrere Reihen von Kältemittelrohren 8 mit U-Bögen 17 an der Endlamelle 14, wobei in den Zeichnungen nicht alle U-Bögen 17 mit dem Bezugszeichen versehen sind. Hierbei ist zu beachten, dass es üblich ist, je zwei mit einem U-Bogen verbundene Kältemittelrohre 8 bereitzustellen, die quasi vorgefertigt von der Seite der Endlamelle 14 durch den Lamellenrohr-Wärmeübertrager 9 hindurch zu der Seite der Anfangslamelle 13 eingeführt werden. Ein solches Paar von verbundenen Kältemittelrohren 8 kann auch aus einem längeren Kältemittelrohr 8 durch Umformen bzw. Verbiegen als U-förmige Haarnadel ausgebildet sein. Damit ist der Montageaufwand reduziert, da die Verstrickung der Kältemittelrohre 8 durch die Montage von U-Bögen 17 bzw. eben dem erfindungsgemäßen Rohrverbinder 1 nur auf der Seite der Anfangslamelle 13 erhalten wird, eine weitere Montage auf der Seite der Endlamelle 14 demnach entfallen kann.
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In 4 ist die erste Reihe, in die das Kältemittel einströmt, auf der rechten Seite gezeigt, in Luftströmungsrichtung L also am Ende des Lamellenrohr-Wärmeübertragers. Um die erste Reihe zu sehen, sind in der Figur der Verteiler und die Kapillarrohre nicht eingezeichnet und lediglich durch weitere Rohrelemente 18 angedeutet.
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Über die Verstrickung der Kältemittelrohre 8 untereinander gelangt das Kältemittel schließlich über die zweite und dritte Reihe zu der in 4 ganz links gezeigten vierten Reihe, aus der das Kältemittel über das Sammelrohr 15 aus dem Lamellenrohr-Wärmeübertrager 9 ausströmt. Die vierte Reihe ist nicht zu sehen, da sie vollständig von dem Sammelrohr 15 verdeckt ist. In dem Heizbetrieb strömt das Kältemittel demnach im Wesentlichen entgegengesetzt zu der Luftströmungsrichtung L durch den Lamellenrohr-Wärmeübertrager 9. 5 zeigt die Ansicht auf die Endlamelle 14, hier ist also die erste Reihe auf der linken Seite der Figur und die vierte Reihe auf der rechten Seite der Figur zu sehen.
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Gemäß der Erfindung wird im Ausführungsbeispiel vom (nicht gezeigten) Verteiler über Kapillarrohre Kältemittel in eine erste Reihe von Kältemittelrohren 8 eingespeist. In diesem Beispiel ist es ausreichend, nur jedes zweite der Kältemittelrohre über den Verteiler anzuschließen. Über U-Bögen 17 an der Endlamelle 14, hier die in 5 ganz links gezeigten, vertikal verlaufenden U-Bögen 17, wird dieses Kältemittel in den verbleibenden der ersten Reihe von Kältemittelrohren 8 von der Endlamelle 14 zur Anfangslamelle 13 zurückgeleitet.
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Auf der Seite der Anfangslamelle 13 wird das Kältemittel dann mittels eines U-Bogens 17 in die zweite Reihe geleitet. In der zweiten Reihe strömt das Kältemittel erneut zwischen der Anfangslamelle 13 und der Endlamelle 14 hin- und her, um dann, nach insgesamt viermaligem Durchströmen des Lamellenpakets 12, in Zuläufe 2 von an der Anfangslamelle 13 angeordneten erfindungsmäßigen Rohrverbindern 1 zu münden. Diese Rohrverbinder 1 sind mit ihren Abläufen 3 an jeweils zwei Kältemittelrohre 8 angeschlossen und verdoppeln somit die Anzahl der wirksamen Kältemittelrohre 8 für den Kältemittelmassenstrom im Lamellenrohr-Wärmeübertrager 9 dann in der dritten Reihe.
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Jeder Rohrverbinder 1 teilt so den zunächst durch ein einziges Kältemittelrohr 8 strömenden Kältemittelmassenstrom auf zwei nachgelagerte Kältemittelrohre 8 auf. In 4 sind der Übersichtlichkeit halber nicht alle Rohrverbinder 1, Zuläufe 2 und Abläufe 3 mit Bezugszeichen versehen.
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In dem in 4 und 5 gezeigten Verstrickungsbeispiel sind demnach vier Reihen von Kältemittelrohren 8 gezeigt, wobei der Pfad des Kältemittels den Lamellenrohr-Wärmeübertrager sechsmal zwischen Anfangslamelle 13 und Endlamelle 14 durchläuft.
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Andere Verstrickungen sind ebenso möglich. So können die Lamellenpakete 12 mehr oder weniger als die gezeigten vier Reihen von Kältemittelrohren 8 enthalten.
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Der Rohrverbinder 1 ist in dem Beispiel zwischen der zweiten und der dritten Reihe angeordnet gezeigt. Ebenso kann der Rohrverbinder zwischen anderen Reihen, beispielsweise zwischen der ersten und zweiten Reihe, angeordnet sein. Ebenso können mehrere Rohrverbinder 1 zwischen jeweils unterschiedlichen Reihen vorgesehen sein. Auch möglich ist, dass Rohrverbinder 1 auf der Seite der Endlamelle 14 vorgesehen sind.
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Für die Erfindung vorteilhaft ist, dass die Ausgangsseite des Rohrverbinders 1, also die Abläufe 3, in Luftströmungsrichtung L vor der Eingangsseite des Rohrverbinders 1, also den Zuläufen 2 liegen. Damit ist eine vorteilhafte Strömungsführung und damit Wärmeübertragung sowohl im Heizbetrieb als auch im Kühlbetrieb bzw. bei Kreisumkehr möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohrverbinder
- 2
- Zulauf
- 3
- Ablauf
- 4
- Ablaufrohr
- 5
- Zulaufrohr
- 6
- Rohrstutzen
- 7
- Nahtstelle
- 8
- Kältemittelrohr
- 9
- Lamellenrohr-Wärmeübertrager
- 10
- Lötring
- 11
- Einführungsabschnitt
- 12
- Lamellenpaket
- 13
- Anfangslamelle
- 14
- Endlamelle
- 15
- Sammelrohr
- 16
- Austrittsrohr
- 17
- U-Bogen
- 18
- Rohrelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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