DE1958566A1 - Heat exchanger - Google Patents
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Description
WärmeaustauscherHeat exchanger
Die Erfindung betrifft Wärmeaustauscher und insbesondere einen Wärmeaustauscher mit einem Rohreinsatz, der zum Betrieb bei hoher Temperatur besonders geeignet ist.The invention relates to heat exchangers and, more particularly, to a heat exchanger with a tube insert, the is particularly suitable for operation at high temperatures.
Zum schnellen Abkühlen ein-es gasförmigen und/ oder flüssigen Mediums sehr hoher Temperatur wird in vielen Verfahren ein Wärmeaustauscher verwendet. So muss beispielsweise bei der Herstellung von Olefinen aus normalerweise gasförmigen Kohlewasserstoffen durch thermische Krackung oder bei der Wasserdampfreformierung von Naphtha und dergleichen der Reaktionsabstrom schnell auf eine Temperatur unterhalb des Punktes abgekühlt werden, an dem Sekundärreaktionen auftreten, welche die Gesamtausbeute vermindern und zur Koksbildung führen. In einigen Verfahren wird diese schnelle Abkühlung dadurch erzielt, dass man den Reaktionsabstrom durch die Rohre eines Wärmeaustauschers führt, der in eine Überführungsleitung eingebaut ist und in dem der Abstrom durch indirekte' Wärmeübertragung auf einFor rapid cooling a-it gaseous and / or liquid medium very high temperature is used in many Method uses a heat exchanger. For example, in the production of olefins from normally gaseous hydrocarbons through thermal cracking or in the steam reforming of naphtha and the like, the reaction effluent can be rapidly cooled to a temperature below the point at which Secondary reactions occur which reduce the overall yield and lead to coke formation. In some proceedings this rapid cooling is achieved by passing the reaction effluent through the tubes of a heat exchanger leads, which is built into a transfer line and in which the effluent by indirect 'heat transfer to a
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geeignetes Kühlmittel schnell abgekühlt wird. Die bei der Kühlung in solchen Überführungsleitungs-Wärmeaustauschern auftretenden hohen Temperaturen werfen konstruktive Probleme auf, insbesondere hinsichtlich des Rohrbodens der Einlaßseite, da der Rohrboden eine Mindestdicke, die in der GrÖssenordnung von einigen Zentimetern liegen kann, aufweisen muss, um den Betriebsdrücken standzuhalten, und die an die Dicke des Rohrbodens gestellten Anforderungen durch die thermischen Spannungen noch weiter erhöht werden, ρ die infolge der hohen, durch Wärmefluss aus dem Verfahrensmedium durch die Rohrwände bewirkten Wärmeabgabe an den Rohrboden entstehen. Diese Wärmeprobleme, insbesondere die thermischen Spannungen, werden bei höheren Betriebsdrücken noch grosser, da ein dicker Rohrboden verwendet -werden muss, der diesen höheren Drücken standhält» Zusätzlich zu diesen durch thermische Spannungen hervorgerufenen Schwierigkeiten tritt bei den hohen Temperaturen des Rohrbodens eine Verringerung der festigkeit des Materials auf, aus dem der Rohrboden besteht, wodurch das Rohrbodenmaterial anfälliger für den Angriff durch das Verfahrensmedium wird*suitable coolant is cooled down quickly. Those involved in cooling in such transfer line heat exchangers occurring high temperatures raise constructive problems on, in particular with regard to the tube sheet of the inlet side, since the tube sheet has a minimum thickness, which in of the order of a few centimeters, must have in order to withstand the operating pressures, and the requirements placed on the thickness of the tube sheet are further increased by the thermal stresses, ρ is the heat transfer to the as a result of the high heat flow from the process medium through the pipe walls Tube sheets are created. These heat problems, particularly the thermal stresses, become apparent at higher operating pressures even bigger, because a thick tube sheet has to be used that can withstand these higher pressures »in addition to these Problems caused by thermal stresses are reduced at the high temperatures of the tube sheet the strength of the material on which the tubesheet is made which makes the tube sheet material more susceptible to attack by the process medium *
Es sind verschiedene Vorsehläge zur Verringerung der oben aufgezeigten Probleme gemacht worden, diese hatten jedoch nur geringen Erfolg-. Einer dieser Vorschläge oestand darin, die Gesamtanzahl der Rohre zu erhöhen, um den Wärmeübertragungskoeffizienten zu verringern; eine derartige Massnahme führt gedoch zu einer Voaa?iciituns mit einer grösseren Gesamtoberfläche, was die Sesamtikosten Beträchtlich erhöht* Daruberhinaus ist diese Massnahme d\n?ch. die üOrcLerungen nach einer schnellen Abkühlung und einer gewissen Minimalgasehwindigkeit beschränkt und erlaubt daher nicht, die Wärmeabgabe auf einen befriedigenden Wert zu verringern.Various proposals have been made to alleviate the problems they have identified above but only little success. One of these proposals oestand in increasing the total number of tubes to increase the heat transfer coefficient to reduce; Such a measure, however, leads to a voaa? iciituns with a larger one Total surface, which increases the sesame costs considerably * Furthermore, this measure is d \ n? the agreements after rapid cooling and a certain minimum gas speed limited and therefore does not allow the heat output to be reduced to a satisfactory level.
anderer Vorschlag Bestand daring für den Rohrboden ©in Metall höaerei CHite^ e«B» ein. hociilegie-rtee Metall, Another suggestion existed for the tube sheet © in Metallhöaerei CHite ^ e «B». high quality metal,
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zu verwenden. Derartige Metalle haben jedoch niedrige Wärmeleitfähigkeiten, die praktisch zu einer Vergrösserung der thermischen Spannungen führen und dadurch die Vorteile der besseren physikalischen Eigenschaften des Metalls wieder aufheben» Ein weiterer Vorschlag ging dahin, den Rohrabstand zu vergrössern, um an der Rückseite des Rohrbodens eine grössere kühlende Oberfläche zu erhalten; diese Massnahme erfordert jedoch bei zunehmendem Abstand eine wachsende Dicke des Rohrbodens.to use. Such metals, however, have low thermal conductivities, which in practice lead to an increase in size the thermal stresses and thereby the advantages of the better physical properties of the metal again cancel »Another suggestion was to increase the distance between the tubes to the rear of the tube sheet to get a bigger cooling surface; This measure however, requires an increasing thickness of the tube sheet with increasing distance.
Durch die Erfindung werden diese und ähnliche Schwierigkeiten und Nachteile beseitigt. Hierzu wird das Einlassende der Wärmeaustauschrohre mit einem offenendigen rohrförmigen Einsatz versehen, der sich über eine Länge in die Rohre erstreckt, die mindestens gleich der Länge des Teils des Rohres ist, der sich innerhalb des Rohrbodens befindet, d.h. die Länge des Einsatzes ist mindestens gleich der Dicke des Rohrbodens. Das heisse Material, das in die Rohre eingeführt wird, fliesst von der Einlasskammer des Wärmeaustauschers durch den Einsatz in die Rohre. Der Einsatz isoliert den Rohrboden gegenüber dem durch die Rohre fliessenden heissen Material, wodurch die Gesamttemperatur des Rohrbodens und die thermischen Gradienten entlang des Rohrbodens verringert werden. The invention overcomes these and similar difficulties and disadvantages. For this purpose, the The inlet end of the heat exchange tubes is provided with an open ended tubular insert that extends for a length in extends the tubes, which is at least equal to the length of the part of the tube which is located within the tube sheet, i.e. the length of the insert is at least equal to the thickness of the tube sheet. The hot material that went into the pipes flows from the inlet chamber of the heat exchanger through the insert into the pipes. The stake isolates the Tube sheet compared to the hot material flowing through the tubes, whereby the total temperature of the tube sheet and the thermal gradients along the tube sheet can be reduced.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von zwei Ausführungsformen in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung weiter erläutert.The invention is described below with reference to two embodiments in conjunction with the accompanying drawing further explained.
Die Eigur 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Wärmeaustauscher-Rohreinsatzes.Figure 1 shows an embodiment of the inventive Heat exchanger tube insert.
Die Figur 2 ist eine Teilansicht des Einlassendes eineB Wärmeaustauschers, der mit einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Wärmeaustauscher-Rohreinsatzes ausgestattet ist.Figure 2 is a partial view of the inlet end of a heat exchanger which is connected to another embodiment of the heat exchanger tube insert of the present invention Is provided.
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Die in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsform des Rohreinsatzes umfasst einen hohlen, aus einem geeigneten Metall, z„B. rostfreiem Stahl, hergestellten, offenendigen Metallrohreinsatz 10 mit einem im allgemeinen zylindrischen Mittelteil 11, der sich nach aussen zu einem vergrös serten zylindrischen Endteil 12 erweitert und am anderen Ende einen sich nach aussen erstreckenden ringförmigen Lippenteil 13 aufweist. Der Mittelteil 11 ist mit einem Isoliermaiitel 14 bedeckt, der beispielsweise aus einer faserförmigen Isolierung (z.B. der von Johns-Manville unter dem Handelsnamen "GERAi1ELT" vertriebenen Faserisolierung) oder aus einer direkt auf eine Einlage aufgegossenen geformten Isolierung (z.B. dem von Johns-Manville unter dem Handelsnamen 11MIN-K-200011 vertriebenen formbaren Material) bestehen kann. Die üussenseite des Isoliermantels 14 ist durch eine dünne Metallfolie 15 bedeckt und geschützt, die im allgemeinen dadurch in ihrer Lage gehalten wird, dass ein Teil der Folie überlappt und auf dem überlappenden Teil eine Punktverschweissung angebracht wird. Der im Einzelfall verwendete Typ des Isoliermaterials hängt von verschiedenen Faktoren ab, insbesondere von den im Wärmeaustauscher herrschenden Bedingungen, z.B. den temperatur- und Durchflussbedingungen, der Dicke des Rohrbodens, den Eigenschaften des zu kühlenden Mediums und dergleichen* Xm allgemeinen wird eine geformte oder gegossene Isolierung, die einen sehr hohen Wärmedurchgangswiderstand aufweist, verwendet, wenn der Wärmeaustauscher bei höherem Druck und höherer Temperatur betrieben wird, die einen dicken Rohrboden erfordern, während eine faserförmige Isolierung bei niedrigeren Betriebstemperaturen und -drücken verwendet wird.The embodiment of the pipe insert shown in FIG. 1 comprises a hollow one made of a suitable metal, e.g. Stainless steel, manufactured, open-ended metal pipe insert 10 with a generally cylindrical central portion 11 which widens outwardly to a magnified cylindrical end portion 12 and has an outwardly extending annular lip portion 13 at the other end. The middle part 11 is covered with an insulating maiitel 14 which, for example, consists of a fibrous insulation (e.g. the fiber insulation sold by Johns-Manville under the trade name "GERAi 1 ELT") or a molded insulation cast directly onto an insert (e.g. that of Johns-Manville Manville under the trade name 11 MIN-K-2000 11 malleable material) may exist. The outside of the insulating jacket 14 is covered and protected by a thin metal foil 15, which is generally held in place by overlapping a part of the foil and spot welding on the overlapping part. The type of insulation material used in the individual case depends on various factors, in particular on the conditions prevailing in the heat exchanger, e.g. the temperature and flow conditions, the thickness of the tube sheet, the properties of the medium to be cooled and the like * In general, molded or cast insulation is used , which has very high thermal resistance, is used when the heat exchanger is operated at higher pressure and higher temperature which require a thick tube sheet, while fibrous insulation is used at lower operating temperatures and pressures.
Der Mittelteil 11 des Eohreinsatzes 10, welcher den Isoliermantel 14 trägt, hat eine Länget die etwa gleich der Dicke des Rohrbodens ist, so dass über die gesamte Dicke des Rohrbodens eine gute Isolierung besteht. Selbstverständlich kann sich ^e<ioeh der Einsatz über den Bohrboden hinaus ein Stück in die Rohre hinein erstrecken! eine solche ÜberlängeThe central part 11 of the ear insert 10, which carries the insulating jacket 14, has a length t which is approximately equal to the thickness of the tube sheet, so that there is good insulation over the entire thickness of the tube sheet. Of course, the insert can also extend a little beyond the drilling floor into the pipes! such an excess length
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wird aber im allgemeinen gering gehalten, um zu verhindern, dass sich die Wärmeübertragungsleistung des Austauschers verringert. Der erweiterte Endteil 12 hat einen Durchmesser, der ausreicht, um einen festen Sitz (interference fit) zwischen dem Endteil 12 und der Innenseite des Wärmeaustauscherrohres zu gewährleisten, wodurch der Einsatz innerhalb des Wärmeaustauscherrohres festgehalten wird. Der Lippenteil 13 kann ebenfalls in geeigneter Weise, z.B. durch Heftschweissung, an dem Einlassrohrboden befestigt sein.but is generally kept low in order to prevent the heat transfer performance of the exchanger decreased. The enlarged end portion 12 has a diameter that is sufficient to provide a tight fit (interference fit) between to ensure the end part 12 and the inside of the heat exchanger tube, whereby the insert within the Heat exchanger tube is held. The lip part 13 can also be made in a suitable manner, e.g. by tack welding, be attached to the inlet tube sheet.
In Fig. 2 der Zeichnung ist eine andere Ausführungsform des Sohreinsatzes in seiner Zuordnung zu einem v/ärmeaustauscher und dem Eohrboden dargestellt; diese Ausführungsform ist besonders zur Verwendung bei solchen Rohrboden geeignet, die mit einem flexiblen Isolierfutter versehen sind. Der in Fig. 2 dargestellte Rohreinsatz ist hinsichtlich einer Reihe von Merkmalen der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sehr ähnlich, so dass entsprechende Teile mit gleichen aber gestrichenen Bezugszeichen versehen sind.In Fig. 2 of the drawing is another embodiment of the ear insert in its assignment to a heat exchanger and the ear floor shown; this embodiment is particularly suitable for use with such tube sheets, which are provided with a flexible insulating lining. The tube insert shown in Fig. 2 is in terms of a A number of features of the embodiment shown in FIG. 1 are very similar, so that corresponding parts are identical but deleted reference numerals are provided.
Der Rohreinsatz 10' weist einen erweiterten Endteil 12' und einen Lippenteil 13' auf und ist mit einer geeigneten Isolierung 14' versehen, die mit einer Folie 15' bedeckt ist. Ein der räumlichen Anordnung oder Befestigung des Rohreinsatzes 10' innerhalb eines Wärmeaustauscherrohres dienender Halterungsring 101 ist, beispielsweise durch eine Punktverschweissung, an einer solchen Stelle fest mit der Folie 15' verbunden, dass sich der Rohreinsatz 10' in das Wärmeaustauscherrohr über eine Länge mindestens gleich der Dicke des Rohrbodens und in die Einlasskammer des Wärmeaustauschers über eine Länge, die etwa der Dicke des Isoliermaterials für den Rohrboden entspricht, erstreckt.The tube insert 10 'has an enlarged end portion 12' and a lip portion 13 'and is provided with a suitable one Insulation 14 'provided, which is covered with a film 15'. One used for the spatial arrangement or fastening of the tube insert 10 'within a heat exchanger tube Retaining ring 101 is, for example, by spot welding, at such a point firmly with the film 15 ' connected that the tube insert 10 'in the heat exchanger tube over a length at least equal to the thickness of the tube sheet and into the inlet chamber of the heat exchanger over a length which corresponds approximately to the thickness of the insulating material for the tube sheet.
Der Einlassrohrboden 111 des Wärmeaustauschers ist mit einer allgemein mit 112 bezeichneten Isolierauflage versehen. Die Isolierauflage 112 besteht aus einsm aus einem geeigneten Isoliermaterial hergestellten flexiblen Futter 113,The inlet tube sheet 111 of the heat exchanger is provided with an insulating pad generally designated 112. The insulating pad 112 consists of a suitable one Flexible lining 113 made of insulating material,
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das von einem Metallgehäuse 114· umgeben ist. Zwischen dem Metallgehäuse 114- und dem Rohrboden 111 liegt eine weiche isolierende Füllung 115 und die Isolierauflage ist durch eine geeignete Verbindung, beispielsweise einen bei 116 allgemein angedeuteten Bolzen, fest an dem Rohrboden angebracht» which is surrounded by a metal housing 114 ·. Between the Metal housing 114 and the tube sheet 111 is a soft insulating filling 115 and the insulating pad is through a suitable connection, for example a bolt generally indicated at 116, firmly attached to the tube sheet »
Der Rohreinsatz 10' wird in dem Wärmeaustauscherrohr 117 durch festen Sitz oder Passung (interference fit) zwischen dem erweiterten Endteil 12' des Rohreinsatzes 10* und der Innenwand des Rohres 117 gehalten. Das zu kühlende gasförmige und/oder flüssige Medium fliesst am Lippenteil 13' ψ in den Rohreinsatz 10* und aus diesem durch den erweiterten Endteil 12' in das Wärmeaustauscherrohr 117* Die isolierende Wirkung des Rohreinsatzes führt dazu, dass sowohl die Gesamttemperatur als auch die thermischen Spannungen des Rohrbodens beträchtlich verringert werden.The tube insert 10 ′ is held in the heat exchanger tube 117 by a tight fit or interference fit between the enlarged end part 12 ′ of the tube insert 10 * and the inner wall of the tube 117. The gaseous and / or liquid medium to be cooled flows at the lip part 13 ' ψ into the pipe insert 10 * and from this through the extended end part 12' into the heat exchanger pipe 117 * Tensions in the tube sheet can be reduced considerably.
Die Erfindung ist nicht auf die in der Zeichnung dargestellten speziellen Ausführungsformen beschränkt und es können zahlreiche Abwandlungen und Änderungen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So kann beispielsweise ein Rohreinsatz vorgesehen werden, der dem in !ig. 2 dargestellten ähnelt, bei dem jedoch der Isoliermantel und der Folienüberzug nur den Teil des Einsatzes bedecken, der sich In die Wärsesastausclierroiire e^st^ectt* Bei dieser Abwandlung ist der Halterungsring direkt an dem Metall des Rohreinsatzes befestigt und der ieil des Einsatzes, der sich in die Rohreinlasskammer erstreckt, enthält keinen isolierenden Mantel und keinen Folienüberzug. Diese Abwandlung ist besonders für solche Wärmeaustauscher geeignet, bei denen der Einlassrohrboden mit einer giessbaren feuerfesten Isolierung versehen ist.The invention is not restricted to the specific embodiments shown in the drawing, and numerous modifications and changes can be made without departing from the scope of the invention. For example, a pipe insert can be provided which is similar to that in! Ig. 2, in which, however, the insulating jacket and the foil cover only cover the part of the insert that is in the heatsastausclierroiire e ^ st ^ ectt * In this modification, the retaining ring is attached directly to the metal of the pipe insert and the part of the insert, extends into the tube inlet chamber, does not contain an insulating jacket or foil coating. This modification is particularly suitable for heat exchangers in which the inlet tube sheet is provided with a castable, refractory insulation.
einer anderen Abwandlung kann der Metallrohreissats völlig frei von Isolierung sein, so dass Gas, dasIn another modification, the metal pipe can be completely free of insulation, so that gas that
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sich dann in dem ringförmigen Raum zwischen dem Mittelteil des Rohreinsatzes und der Innenwand des Wärmeaustauscherrohres "befindet, die erforderliche Isolierung "bewirkt. Diese Abwandlung kann dann angewendet werden, wenn der Wärmeaustauscher unter milderen Arbeitsbedingungen, beispielsweise niedrigeren Temperaturen und Drücken, betrieben wird.then in the annular space between the central part of the tube insert and the inner wall of the heat exchanger tube "provides the necessary insulation". These Modification can then be applied when the heat exchanger is under milder working conditions, for example lower temperatures and pressures.
Nach einer weiteren Abwandlung kann der Rohreinsatz in dem Wärmeaustauscherrohr ohne eine feste Passung zwischen dem erweiterten Endteil des Rohreinsatzes und der Innenwand des Wärmeaustauscherrohres angebracht sein, beispielsweise indem der Rohreinsatz in dem Wärmeaustauscherrohr durch eine Heftschweissung zwischen dem Lippenteil des Rohreinsatzes und dem Ende des Yilärmeaustauscherrohres befestigt ist.According to a further modification, the tube insert can be in the heat exchanger tube without a tight fit between be attached to the enlarged end portion of the tube insert and the inner wall of the heat exchanger tube, for example by placing the tube insert in the heat exchanger tube through a tack weld between the lip part of the tube insert and is attached to the end of the Yilärmeaustauscherrohres.
Nach einer weiteren Abwandlung kann der erweiterte Endteil des Rohreinsatzes eine andere als die zylindrische Form haben, beispielsweise kann der erweiterte Endteil kegelstumpfförmig sein.According to a further modification, the enlarged end part of the tube insert can be different from the cylindrical one Have shape, for example the enlarged end portion can be frustoconical be.
Die oben beschriebenen und zahlreiche andere Abwandlungen und Kombinationen der Gestaltung des Rohreinsatzes und der Isolierungen können von einem Fachmann nach der hier vermittelten Lehre,ohne erfinderisches Zutun vorgenommen werden.The above-described and numerous other modifications and combinations of the design of the tube insert and the isolations can be carried out by a person skilled in the art according to the teaching conveyed here, without any inventive step.
Zur weiteren Veranschaulichung sind nachfolgend als Beispiel typische Abmessungen eines Rohreinsatzes, beispielsweise eines Rohreinsatzes nach Fig. 1, angegeben; die Erfindung ist aber natürlich nicht auf irgendwelche bestimmten Abmessungen beschränkt.For further illustration, typical dimensions of a pipe insert, for example, are given below as an example a tube insert according to Figure 1, indicated; the invention is of course not limited to any particular dimensions limited.
Länge des Rohreinsatzes 6,35 cm (2,5 inch)Length of the tube insert 6.35 cm (2.5 inch)
Aussendurchmesser desOutside diameter of
Mittelteils 2,21 cm (0,075 inch)Middle part 2.21 cm (0.075 inch)
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Aussendurchmesser desOutside diameter of
Mittelteils einschliesslichMiddle part inclusive
Isolierung und Folie 2,4-1 cm (0,950 inch)Insulation and foil 2.4-1 cm (0.950 inch)
Aussendurchmesser des erweiterten Teils 2,4-2 cm (0,954- inch)Outside diameter of the expanded part 2.4-2 cm (0.954- inch)
Wärmeaustauscherrohre mit einem Rohreinsatz der beschriebenen Art weisen bei Verwendung in Wärmeaustauschern, die zur schnellen Abkühlung von Strömen hoher TemperaturHeat exchanger tubes with a tube insert of the type described have when used in heat exchangers, those for rapid cooling of high temperature currents
" verwendet werden, zahlreiche Vorteile auf. So setzt der Rohreinsatz die normalerweise durch die Rohrwand erfolgende Wärmeübertragung zwischen dem heissen Medium in den Wärmeaustauscherrohren und dem Einlassrohrboden wesentlich herab, wodurch die Gesamttemperatur des Rohrbodens und die thermischen Spannungen darin veringert werden. Infolge der Verringerung der thermischen Spannungen kann die Dicke des Rohrbodens kleiner sein und darüber hinaus verringern die niedrigeren Temperaturen im Rohrboden die Anfälligkeit des Rohrbodens gegenüber einem Angriff durch die Verfahrensmedien. Eine weitere Wirkung des Rohreinsatzes besteht darin, dass der Lippenteil und der erweiterte Endteil die Turbulenz des"are used, have numerous advantages. This is how the pipe insert the heat transfer normally occurring through the pipe wall between the hot medium in the heat exchanger pipes and the inlet tubesheet substantially lowering the overall tube sheet temperature and thermal Tensions in it are reduced. As a result of the reduction in thermal stresses, the thickness of the tube sheet be smaller and, moreover, the lower temperatures in the tube sheet reduce the susceptibility of the tube sheet against an attack by the procedural media. Another effect of the pipe insert is that the lip part and the enlarged end part reduce the turbulence of the
k _ Mediums herabsetzen. k _ reduce the medium.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OHW | Rejection |