DE1451196A1

DE1451196A1 - Hochdruckwaermeaustauscher

Info

Publication number: DE1451196A1
Application number: DE19631451196
Authority: DE
Inventors: Holland Richard W
Original assignee: Brown Fintube Co
Current assignee: Brown Fintube Co
Priority date: 1962-12-27
Filing date: 1963-12-21
Publication date: 1969-05-08
Also published as: GB976897A; US3249153A

Description

P 14 51 196.7 (B 74 757 Ia/17f)

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Ho chdruckwärme aus t aus eher

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochdruckwärmeaustauscher mit Innenrohr und einem Bündel haarnadelförmiger Innenrohre, wobei die geraden Teile der Innenrohre über die Stirnseite des Außenrohres hinausragen, mit einem praktisch rohrförmigen Verbindungsstück, an das die Innenrohre leckdicht angeschlossen slii'l und das in das Innenrohr einschiebbar und über Dichtungen an dieses anechlleßbar ist, mit einem das Yerbindungsrohr abdichtenden ilohrbodenteil und einer lösbaren Abdichtung in Verbindung zwischen Anschlußrohr und Verbindungsstück im räumlichen Abstand, zur Abdichtungsstelle gegen den Außenmantel.

Bei Wärmeaustauschern dieser Art müssen die Außenoberflächen der Innenrohre mit der Innenoberfläche des Mantelrohres verbunden werden, um den Aaxua innerhalb des Mantelrohres abzudichten. Au:;·· ex dem lausten die Innenrohre mit einem flüssigkeitsdichten Verbindungselement an oin Anschlußrohr angeschlossen werden, u-.ü'^h woL;:i:;a das Medium zum Inneren der Innenrohre oder von

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des Änuciüiitjyüöii· v. 4. ü IV.

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dort nach, außen strömt. -,-

Bekannt geworden ist ein Wärmeaustauscher für mittlere Drücke, bei dem die Dichtungen zwischen Innen- und Außenrohr sowie die Dichtung zwischen Innenrohr und Verbindungsstück durch ein Zwischenstück getrennt voneinander.angeordnet sind. Bei Beaufschlagung mit Hochdruck würde die Kammer des Zwischenstücks hinter dem Rohrboden ebenfalls dem hohen. Druck innerhalb der Innenrohre ausgesetzt. Hierdurch würde aber-die Wandstärke dieser Kammer des Zwischenstücks derart zu bemessen sein, daß entweder die Außenrohre ganz erheblich vergrößert werden müßten oder daß das entsprechend dick ausgebildete Zwischenstück nicht mehr in das Außenrohr eingeschoben werden könnte.

Bei einem anderen bekannten Wärmeaustauscher sind.die beiden Dichtungen nicht voneinander getrennt, dort besteht somit die Möglichkeit, daß die Jtedien in den Innenrohren sich mit den Medium, das die Außenrohre umgibt, bei einem Leckwerden vermischen.

Dieses Abdichtungs- und Druckproblem wird erfindungsgemäß nun . dadurch gelöst, daß der Eohrbodenteil dickwandig und hochdruck— beständig ausgebildet ist und den Querschnitt des Verbindungsstücks verschließt „und sich im wesentlichen zum äußeren Ende, des Yerbindungsstücks erstreckt und Öffnungen aufweist, die mit dem Inneren der Innenrohre und mit dem Inneren des Anschlußrohres am äußeren Ende des Verbindungsstücks in Verbindung stehen, derart, daß nur der äußere Endteil des Verbindungsstückes dem Druck des in den Innenrohren befindlichen Mediums ausgesetzt ist.

Vorzugsweise ist der Plansch des Anschlußrohres gegen einen am Ilohrbodenteil formschlüssig gelagerten AnschlafjsriBg befestigt.

Zweckmäßig ist der iLnschlagsring geschlitzt Lind innerhalb einer im Außenumfang des Verbindungsstückes eingearbeitete But .gelagert, wobei er gegen eine Schulter der Nut anlieft.

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Nach, einer "besonders günstigen Ausführungsform, der Erfindung "besteht die Dichtung aus Weicheisen, "besitzt kegelstumpfförmige Gestalt und liegt gegen komplementär ausgebildete Dichtungsflächen am Flansch des Anschlußstücks und des Verbindungsstückes an.

Das Anschlußstück kann nach der erfindungsgemäßen Maßnahme einen so kleinen Querschnitt aufweisen, daß es durch das Aüßenrohr und aus dessen Endteil geschoben werden kann, besitzt jedoch eine wesentliche Länge und ist durch, die genannte Ausbildung leckdicht am Endteil des Außenrohres angeschlossen.

Wie gesagt enthält das Terbindungsstück einen Rohrbodenteil, der den Querschnitt des Verbindungsstückes verschließt und sich im wesentlichen zum äußeren Ende dieses Verbindungsstückes erstreckt sowie Öffnungen aufweist, die mit dem Inneren der Innenrohre und mit dem Inneren des Anschlußrohres am äußeren Ende dieses Verbindungsstücks in Verbindung stehen, wobei nur der äußere Endteil des Verbindungsstückes dem Druck des Mediums innerhalb der Innenrohre ausgesetzt ist.

.beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun anhand f.'.er beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

Figur 1, teilweise im Schnitt, eine Seitenansicht eines ¥ärmeaustauscliers mit Haarnadelrohren ist, wobei jeder Schenkelteil eine Vielzahl von Innenrohren aufweist, die durch ein äußeres oder Mantelrohr umgeben sind, und wobei der Wärmeaustauscher zwei Verbindungsstücke nach der Erfindung, teilweise im Schnitt, dargestellt, enthält;

Figur 2 ist eine teilweise geschnittene Darstellung des in Richtung der Pfeile 2-2 in Figur 1 gesehenen Wärmeaustauschers;

Figur 3 ist ein Schnitt längs der Linie 3-3 in Figur 2, jedoch in größerer Darstellung zur Wiedergabe eines Verbindungsstückes; und

Fi.gur 4 ~iot einen Schnitt durch eines der Verbindungsstücke ia. wesentlichen längs der Linie 4-4 in Figur 3, jedoch in klei-

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nerer Darstellung wieder.

Bei dem in der Zeichnung wiedergegebenen Wärmeaustauscher han-■delt es sich, um einen Haarnadelaustauscher mit einem Bündel 10 haarnadelförmiger Rohre 11, die jeweils aus zwei geradlinigen Teilen 12 und einem Bogenstück 13 bestehen. Die Innenrohre werden von einem haarnadelförmigen Mantel 14 umschlossen, der aus zwei geraden äußeren Mantelrohren 15, die jeweils ein Bündel der geraden !eile i2 der Innenrohre umgeben, "besteht. Die Rohre 15 sind an einem TJmkehrbogenteil 16 "befestigt. Das offene hintere End^e des Teiles 16 ist durch einen abnehmbaren Deckel verschlossen, welcher durch Muttern 18 auf Schrauben 19 befestigt ist, die sich durch den Plansch 20 des Teiles 16 erstrecken. Eine geeignete Dichtung 21 sichert eine leckfreie "Vabindung zwischen dem Deckel und dem Plansch. Am anderen Ende des Wärmeaustauschers weist der Mantel 14 einen Einlaßteil 22 und einen Auslaßteil 23 auf, die jeweils an ihrem Ende mit einem üblichen Terbindungsflänsch 24 versehen sind.

Die Verbindungs- oder Anschlußstücke, auf die sich die vorliegende Erfindung richtet, sind allgemein bei 25 angedeutet und dichten jedes Ende des Bündels von Innenrohren am benachbarten Ende eines der Mantelrohre 15 ab und verbinden außerdem die Innenrohre mit den Yerbindungsrohren 26 und 27, das durch das Verbindungsrohr 26 zugeführte Medium strömt durch das Innere der Innenrohre aum und durch das Anschlußrohr 27 im Gegenstrom und im Wärmeaustausch mit dem anderen, durch den Mantel strömenden Medium. Palis erwünscht, kann der Gegenstrom auch dadurch erreicht werden, daß man Einlaß- und Auslaßverbindungen für die Innenrohre bzw. das Mantelrohr vertauscht. Der Wärmeaustauscher ruht auf Konsolen 28 und man kann erforderlichenfalls mehrere dieser Wärmeaustauscher in Reihe hintereinander schalten,

TJm den erforderlichen Anschluß an den Mantel zu erzielen, weist der Endteil 29 des geraden Außenrohres 15 des Mantels 14 eine sich nach innen erstreckende Bohrung 30 auf, deren Durchmesser

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größer als der "benachbarte Teil 31 der Öffnung durch das Mantelrohr ist, wie man vergrößert aus 'Figur 3 erkennt» Das innere Ende der Bohrung 30 endet in einer nach außen weisenden inneren Ringschulter 32. Eine nach außenweisende, kontinuierliche Ringdichtfläche 33 ist am äußeren Ende der Bohrung 30 angeordnet und hat bei der wiedergegebenen Ausführungsform die Gestalt einer inneren, im allgemeinen kegelstumpfförmigen Oberfläche, die sich nach außen erweitert.

Die äußeren Enden der geraden Teile 12 der .Innenrohre 11 im Bündel sind leckdicht an einem Verbindungsstück 34 angeschlossen. Dieses Verbindungsstück enthält einen Rohrbodenteil 35 mit Öffnungen 36. Diese Öffnungen nehmen die Enden der geraden Teile 12 der Innenrohre 11 des Bündels auf. Die Innenoberfläche jeder Öffnung 36 ist mit Rillen 37 versehen, in die das Metall der Rohre 11 in üblicher Weise zur festen Verbindung der Rohre mit dem "Verbindungsstück 34 eingewalzt ist. Außerdem sind die Rohre an dem Rohrbodenteil 37a verschweißt, um einen lecksicheren Anschluß zu gewährleisten.

Das Verbindungsstück 34 weist als Ganzes eine wesentliche Länge auf. Der Teil 38, der sich zum inneren Ende des Verbindungsstückes vom Rohrbodenteil 35 erstreckt, ist zur Verminderung des Gewichtes und zur Schaffung eines Rohrbodenteils 35 von solcher Dicke, daß er dem Druck des in den Innenrohren strömenden Mediums widerstehen kann und die Walzverbindungen mit entsprechender Festigkeit hergestellt werden können, rohrförmig ausgebildet. Obwohl der Durchmesser des Verbindungsstückes 34 größer als der Durchmesser des Rohrbündels 11 als Ganzes ist,ist das Verbindungsstück im Querschnitt so klein, daß es vollständig durch das Rohr 15 hindurchgeschoben werden kann. Das innere, rohrx'örmige jinde des Verbindungsstückes 34 erstreckt sich in den äußeren Endteil 29 des Außenrohres 15, wobei der größere ieil der Länge des Verbindungsstückes aus diesem äußeren Endteil im zusammengebauten Zustand vorsteht. Der innere Endteil des Ver-

bindungsstückes 34 im Außenrohr 15 weist eine äußere, nach innen weisende Ringsehulter 39 auf, die in Achsrichtung nach außen von der Schulter 30 im Rohr 15 einen Abstand "besitzt. Die Schulter 39 bildet Torzugsweise einen Teil einer Außenrille 40 auf dem Verbindungsstück.

Bei angebauter Verbindung wird ein Anschlagring 41 in der Rille 40 gegen die Schulter 32 im Außßnrohr durch die Schulter 39 auf dem Verbindungsstück 34 angepreßt, so daß das Verbindungsstück und die an ihm sitzendsi Innenrohre 1.1- gegen eine Einwärtsbewegung bezüglich des Außenrohres festgelegt sind. Der Anschlagring 41 ist geschlitzt, so daß er sich leicht in die Rille 40 einsetzen und aus ihr entnehmen läßt.

Der innere Endteil des Verbindungsstückes 34 besitzt ferner eine nach außen weisende, kontinuierliche Ringedichtflache 43 von geringerem Durchmesser als die Dichtfläche 33 des Außenrohres, die in deren Uahe angeordnet ist. Die fläche 43 ist bei der wiedergegebenen Ausführungsform eine äußere, im allgemeinen kegelstumpfförmige Oberfläche mit axial nach außen abnehmenden Durehmesser. Der Außenteil des Verbindungsstückes 34, der sich von der Dichtfläche 33 nach außen erstreckt, ist kleiner als die Dichtfläche.

Um eine Dichtung zwischen Dichtfläche 33 und 43 herzustellen, wird ein Dichtring 44 mit einer gekrümmten Dichtfläche 45 in Dichteingriff mit der Dichtfläche 33 und 43 durch einen das Verbindungsstück 34 umgebenden Klemmring 46 angepreßt und in Richtung der Dichtfläche und des Endes des Außenrohres durch Muttern 47 auf Schrauben 48 gezogen, die sich durch den Klemmring erstrecken und im Plansch 49 auf dem Ende des äußeren Rohres 15 befestigt sind. Die ^ichtung 44" besteht vorzugsweise aus Metall, beispielsweise Weicheisen, das entsprechenden Druckkräften zu widerstehen vermag, sich gleichzeitig aber den Dichtflächen 33 und 43 unter Bildung einer leckdichten Abdichtung anpaßt. Das Verbindungsstück 34 wird in flie gewünschte

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Stellung eingestellt und gegen die auf es durch die Dichtung ausgeübte Kraft durch den Anschlagring 41 gehalten, welcher in die Schulter 39 des Verbindungsstückes greift und gegen die Schulter 32 im Außenrohr 15 angepreßt wird.

TJm eine Verbindung zwischen dem Verbindungsstück 34 und dem Anschlußrohr 26 herzustellen, hat der äußere Endteil des Verbindungsstückes 34 eine nach innen weisende Außenschulter 51, die vorzugsweise einen Teil einer Außenrille 52 bildet. Bin geschlitzter Anschlagring 53 ist in dieser Rille angeordnet und legt sich gegen die Schulter 51. Die Innenseite des Anschlagringes 53 wird von einem Klemmring 54 erfaßt, welcher das Verbindungsstück 34 umgibt. Auf dem äußeren Ende weist das Verbindungsstück 34 ferner eine nach außen weisende Dichtfläche £9 55 auf, welche vorzugsweise die Form einer inneren, im allgemeinen kegelstumpfförmigen Oberfläche besitzt. Das Anschlußrohr 26 enthält einen schweren Plansch 58, der an ihm bei 58a angeschweißt ist. Der Plansch 58 weist eine innere, kegelstumpfförmige Dichtfläche 56 in der Ml l3r Dichtfläche 55 des Verbindungsstückes 34 auf. Diese Dichtfläche 56 enthält ferner eine innere, kegelstumpfförmige Oberfläche, die entgegengesetzt zur Oberfläche 55 abfällt. Eine Dichtung 57, vorzugsweise aus Weicheisen oder einem anderen, gegen hohe Drücke beständigen und sich an die Dichtoberflächen unter Bildung einer leckdichten Abdichtung anpassendem Metall ist. zwischen die Dichtflächen 55 und 56 eingesetzt. Diese Dichtung enthält zwei kegelstumpfförmige, den Dichtflächen 55 und 56 angepaßte Oberflächen. Der Druck des Mediums innerhalb der Dichtung versucht also, diese in Dichteingriff mit diesen Oberflächen 55 und 56 zu drücken. Die Dichtflächen 55, 56 und die Dichtung 57 wirken somit zusammen und schaffen eine Anordnung, die selbst bei höheren Drücken des Mediums in den Innenrohren eine zunehmende Abdichtung liefert. Der Plansch 58 wird in Richtung des Verbindungsstückes 34 gezogen, um die Dichtung 57 in leckdichter Abdichtung mit der. Dichtflächen 55 und 56 des Verbindungsstückes 34 und des Rohres 26 durch Anziehen der Mutter 59 auf den

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Schrauben 61 festzuklemmen, welche sich durch den Flansch 58 erstrecken und in dem Klemmring 54 eingeschraubt sind.

Bei der wiedergegebenen Ausführungsform ist der Rohrbodenteil 35 des YerbindungsstÜckes 34-, in dem die Enden der Innenrohre 11 befestigt sind, eine schwere Wand mit solcher Dicke, daß sie dem Druck des Mediums in den Innenrohren mit Sicherheit widerstehen kann. Das Innere der Innenrohre steht mit dem Inneren des Rohres .2.6 in Verbindung, infolgedessen ist nur der massive Rohrbodenteil 35 äes Verbindungsstückes 34 dem höchsten Druck des Mediums ausgesetzt, welches durch die Innenrohre strömt, während der leicntere rohrförmige feil 38 des Verbindungsstücks 34 nur unter- dem geringeren Druck des im Mantel befindlichen Mediums steät.

In ähnlicher Weise sind die Teile, wie der Anschlagring 53, der Klemmring 54 und die Stifte 61, in den Einrichtungen zum Anschluß des Rohres 26 am Verbindungsstück so ausreichend massiv ausgebildet, daß sie den von den honen Drücken in den Innenrohren stammenden Kräften .widerstehen können, während die Teile, wie der Anschlagring 41, der Klemmring 46 und die Schrauben 48, beträchtlich kleiner und leichter hergestellt werden können, da sie nur den beträchtlich geringeren Drücken des Mantelmediums zu widerstehen haben. - , .

Die oben geschilderte Konstruktion führt von selbst zu Wärmeaustauschern, in denen das Medium in den Innenrohren sich auf

extrem hohen Drücken in der Größenordnung von 350 kg/cm und das Mantelmedium auf beträchtlich niedrigerem Drücken in der Größen*-.

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Ordnung von einigen 10 kg/cm befinden können. Die Festigkeit, das Gewicht und die Größe der Teile sind den tatsächlich von ihnen zu bewältigenden Drücken entsprechend gewählt.

Der wiedergegebene Wärmeaustauscher läßt sich leicht auseinanderbauen, indem man die Muttern 61 von den Schrauben 59 löst, das Anschlußrohr 26 und die Dichtung 57 vom äußeren Ende des

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Verbindungsstückes 34 trennt, den Klemmring 54 so weit in Richtung des Mantelrohres bewegt, daß der geschlitzte Anschlagring 53 freikommt, diesen Ring 53 aus der Rille 52 entnimmt und dann den Klemmring 54 über das äußere Ende des Verbindungsstückes 34 schiebt. Anschließend können an jeder Verbindung die. Muttern 47 leicht entfernt werden, so daß man den Klemmring 46 und die Dichtung 44 in der Achsrichtung über das äußere Ende des Verbindungsstückes 34 abziehen kann. Die Anordnung aus den Innenrohren 11 und den Endverbindungsstücken 34 kann dann so weit nach vorne bewegt werden, daß der Anschlagring auf dem inneren Endteil jedes Verbindungsstückes aus seiner Rille 40 entnommen werden kann, worauf sich diese Anordnung nach rückwärts aus dem Mantel 14 bewegen läßt, nachdem vorher der Deckel 1? entfernt worden war.

Der Wärmeaustauscher läßt sich offenbar in der umgekehrten Reihenfolge ohne Schwierigkeiten zusammenbauen. Somit lassen sich Zusammenbau und Zerlegen ohne entsprechende Drehung zwischen den Rohren und dem Rohrbündel durchführen. Die Verbindung eignet sich deshalb insbesondere für Wärmeaustauscher, die Haarnadelrohre enthalten. Unmittelbar vor dem Einbau jeder Dichtung 44 und 57 lassen sich die mit diesen Dichtungen in Eingriff kommenden Dichtflächen untersuchen und falls erforderlich, zur Entfernung von Rost und Schmutz reinigen, der sich auf diesen Oberflächen während des Durchgangs der Verbindungsstücke 34 durch die langen geraden Rohre 15 des Mantels angesammelt haben könnte. Unter normalen Arbeitsbedingungen erfordern die mit den Dichtungen 44 und 57 in Eingriff kommenden Dichtflächen keine Nachbearbeitung, da die Dichtungen, die sehr billig und verwerfbar sind, sich leicht mit üblichen Material- und Arbeitskosten gegen neue Dichtungen austauschen lassen, die den Dichtflächen entsprechen und die Dichterfordernisse erfüllen.

Bei der wiedergegebenen Verbindung sind zwei axial im Abstand angeordnete Dichtteile vorgesehen, von denen der eine nur dem Druck des Mantelmediums ausgesetzt ist, während der andere unter

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der Einwirkung des Druckes des in den inneren Rönren'-beiindllliw chen Mediums steht. Obwohl das an die Innenrohre angeschlossene Verbindungsstück die oben aufgezeigten Äbmessungserfordernisse erfüllt, ist es fest genug, um den extrem hohen Drücken in den Innenrohren widerstehen zu können. Die lestigkeit, die erforderlich ist, um den hohen Drücken in den Innenfohren zu widerstehen, ist nur dort vorgesehen, wo sie benötigt; wird. Dies führt, zu einer Reduzierung der Gesämtkosten und des' Gewichts der Verbindungen. Darüberhinaus erlaubt die axiale ' Verschiebung der beiden Dichtteile eine kompakte Queranordnung der Verbindung und die Konstruktion von in Querrichtung sehr ' kompakten Wärmeaustauschern. Außerdem können diese Dichtteile bei größeren Temperaturunterschieden, als es sonst möglich wärei arbeiten, so daß der kältere Dichtteil höhere ffestigkeitswerte bei der Konstruktion erhalt, welche eine höhere Druckbelastung und eine kompaktere und billigere Konstruktion dieses Teiles ermöglicht. Die Verbindungen sind jederzeit leicht zugänglich und jedes Leckwerden läßt sich sofort feststellen} falls tatsächlich ein Lecken einer dar Medien auftritt, erfolgt keine Vermischung der Medien im Mantelräum und Im Raum der inneren Rohre.

Patentansprüche

INSPECTED

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Claims

ϊ 14 51 196.7 A H 623 Lw/Gt Brown ffintube Pomp. PATENTANSPRÜCHE

1.)) Hochdruckwärmeaustauscher mit Außenrohr und einem Bündel haarnadelförmiger Innenrohre, wobei dfe geraden Teile der Innenrohre über die Stirnseite des Außenrohres hinausragen, mit einem praktisch rohrförmigen Verbindungsstück, an das die Innenrohre leckdicht angeschlossen sind und das in das Innenrohr einechiebbar und über Dichtungen an dieses anschließbar ist, mit einem das Verbindungsrohr abdichtenden Rohrbodenteil und einer löebaren Abdichtung in Verbindung zwischen Anschlußrohr und Verbindungsstück im räumlichen Abstand zur Abdichtungsstelle gegen den Außenmantel, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrbodenteil (35) dickwandig und hochdruckbeständig ausgebildet ist und den Querschnitt des Verbindungsstücks (34) verschließt und sich im wesentlichen zum äußeren Side des Verbindungsstückes erstreckt und öffnungen (36) aufweist, die mit dem Inneren der Innenrohre (12) und mit dem Inneren des Ansehlußröhres (26) am äußeren Ende des Verbindungsstückes (34) in Verbindung stehen, derart, daß nur der äußere Endteil des Verbindungsstückes (35) dem Druck des in den Innenrohren befindlichen Mediums ausgesetzt ist.

2.) Hochdruckwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Plansch (58) des Anschlußrohres (26) gegen einen am Rohrbodenteil (35) formschlüssig gelagerten Anschlagring (53) befestigt ist.

3.) Hoelidruekwärmeaustauscher nach Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlagring (53) geschlitzt und innerhalb einer im Außenumfang des Verbindungsstückes (34) eingearbeiteten Nut (52) gelagert ist, wobei er gegen eine Schulter (51) der Hut anliegt.

4.) Ho eMruck\rärme aus tauscher nacli Anspruch 1,- dadurch gekennzeichnet, da;- die- Dichtung (57) aus. ¥e icheis en bestellt,

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4. .B&D ORfQINAL

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kegelstumpff örmige Gestalt "besitzt und gegen komplementär aus*- geMldete Dicliirungsfläclien (55J 56) am iTanscli (58) des Anschlußstücks (26) und des Verbindungsstücks (34) anliegt.

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