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Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Wärmeübertragung
von einem ersten Medium, z. B. aufgeheiztem Faulschlamm, an ein
zweites Medium, z. B. kaltem Rohschlamm mit zumindest einem Wärmetauschermodul
(in z. B. Horizontalbauweise), welches ein erstes Rohrleitungsbündel
mit mehreren Rohrsträngen für das erste Medium
und ein zweites Rohrleitungsbündel mit mehreren Rohrsträngen
für das z. B. im Gegenstrom (oder im Gleichstrom) zu dem
ersten Medium geführte zweite Medium aufweist.
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Ein
solcher Wärmetauscher und insbesondere Gegenstromwärmetauscher
im Rohrbündelverfahren wird auch als Rekuperator bezeichnet.
Die Temperatur des ersten Mediums ist höher als die Temperatur
des zweiten Mediums, wobei im Zuge der Wärmeübertragung
dem ersten Medium Wärme entzogen und dem zweiten Medium
zugeführt wird, so dass sich dessen Temperatur erhöht.
Bei dem ersten Medium handelt es sich im Rahmen der Erfindung vorzugsweise
um aufgeheizten Faulschlamm, während das zweite, zu erwärmende
Medium, vorzugsweise kalter Rohschlamm ist. Die Erfindung betrifft folglich
vorzugsweise einen Wärmetauscher zur Wärmerückgewinnung
aus aufgeheizten Faulschlamm und folglich einen Wärmetauscher
für Abwasseraufbereitungsanlagen bzw. Kläranlagen.
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In
einer solchen Kläranlage wird in der Praxis Rohschlamm
mit einer Temperatur von beispielsweise 7°C einem Faulbehälter
zugeführt. In dem Faulbehälter verweilt der Rohschlamm
in der Regel einige Wochen, wobei zur Methangaserzeugung üblicherweise
Wärme zugeführt wird. Der Trockensubstanzanteil
in einem solchen Rohschlamm beträgt in etwa 3%. Aus dem
Faulbehälter wird dann der aus dem Rohschlamm entstandene
Faulschlamm abgeführt, welcher eine deutlich höhere
Temperatur als der Rohschlamm aufweist, z. B. eine Temperatur von
35 bis 38°C. Für die Weiterverarbeitung dieses
Faulschlamms ist es nun zweckmäßig, den Faulschlamm abzukühlen,
da sich beispielsweise ein Entwässerungsvorgang bei niedrigen
Temperaturen effektiver durchführen lässt. Aus
diesem Grunde ist es bekannt, einen Wärmetauscher der eingangs
beschriebenen Art einzusetzen, um die im Zuge des Abkühlens
des Faulschlamms frei werdende Wärme dem kalten Rohschlamm
gleichsam zur Vorwärmung zuzuführen.
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Ein
solcher Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art ist
beispielsweise aus der
DE
32 33 407 A1 bekannt. Es handelt sich um einen zu einer
Baueinheit zusammengefassten Gegenstromwärmetauscher, bestehend
aus mittels Rückbögen mit Kreisquerschnitt hin-
und rückgeführten geradlinigen Rohrsträngen,
deren Wandung zumindest teilweise aus gut wärmeleitendem
Material besteht. Die Rohrstränge weisen einen kastenförmigen
Querschnitt auf und sind Wand an Wand verlegt. Die jeweiligen Medien
durchlaufen den Wärmetauscher folglich von Rohrstrang zu
Rohrstrang unter Zwischenschaltung der bogenförmigen Umlenkstücke. Ein
solcher Wärmetauscher hat sich in der Praxis grundsätzlich
bewährt, er ist jedoch weiterentwicklungsfähig.
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Im Übrigen
kennt man einen Abluftwäscher mit Wärmetauscher
für einen Tierstall, bei welchem die Funktionen eines Abluftwäschers
und eines Gegenstrom-Wärmetauschers kombiniert werden sollen.
Die Wärmetauschereinheit besteht aus gegenläufig
luftdurchströmten Abluftkanälen und Zuluftkanälen,
die Wand an Wand aneinanderliegen und einen Wärmeaustausch
von den Abluftkanälen zu den Zuluftkanälen ermöglichen.
Die Abluftkanäle sollen dabei sowohl gewendelt als auch
im Zickzack verlaufen. Dadurch soll die Wärmetauscherfunktion
optimiert werden. Der insoweit bekannte Wärmetauscher ist
ausschließlich für die Wärmeübertragung
von gasförmigen Medien bestimmt (vgl.
EP 1 815 902 A1 ). Vergleichbare
Wärmetauscher, die jedoch ebenfalls für gasförmige
Medien bzw. für den Wärmeaustausch zwischen einem
gasförmigen Medium und einem flüssigen Medium
bestimmt sind, kennt man aus der
DE 196 53 989 A1 , der
DE 10 2007 005 370 A1 und
der
DE 101 59 839
A1 . Auf die Entwicklung von Wärmetauschern für
Klärschlämme hatten diese Ausführungsformen
keinen Einfluss.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher
zur Wärmeübertragung von einem ersten Medium,
z. B. Faulschlamm, an ein zweites Medium, z. B. Rohschlamm, der
eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welcher sich bei einfachem
und kostengünstigen Aufbau durch einen besonders hohen
Wirkungsgrad der Wärmeübertragung auszeichnet.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung bei einem gattungsgemäßen
Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art, dass die
Rohrstränge des ersten Rohrleitungsbündels an
einem Ende in eine gemeinsame erste Zulauf-Sammelkammer und an ihrem
gegenüberliegenden Ende in eine gemeinsame erste Ablauf-Sammelkammer
münden und dass die Rohrstränge der zweiten Rohrleitungsbündel
an einem Ende in eine zweite Zulauf-Sammelkammer (oder Ablauf-Sammelkammer)
und an deren gegenüberliegenden Ende in eine zweite Ablauf-Sammelkammer
(oder Zulauf-Sammelkammer) münden. Die Rohrstränge
des ersten und des zweiten Rohrleitungsbündels verlaufen
dabei innerhalb eines Moduls im Wesentlichen parallel zueinander und
im Wesentlichen geradlinig ohne bogenförmige Umkehrstrecken
bzw. Umlenkstrecken.
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Dabei
geht die Erfindung zunächst einmal von der (bekannten)
Erkenntnis aus, dass eine hohe Wärmeübertragung
erfolgen kann, wenn die Medien in gleichsam verschachtelten Rohrleitungssystemen z.
B. im Gegenstrom (oder auch im Gleichstrom) geführt werden,
so dass ein unmittelbarer Wärmeaustausch zwischen paarweise
nebeneinander angeordneten Rohren erfolgt. Ausgehend von dieser
Erkenntnis schlägt die Erfindung nun vor, dass auf ein Hin-
und Herführen eines Mediums innerhalb eines Moduls über
Umlenkstrecken verzichtet wird und dass sämtliche Rohrstränge
eines Rohrleitungsbündels innerhalb eines Moduls im Wesentlichen
parallel und gradlinig zueinander verlaufen und beidseitig jeweils
in Sammelkammern münden. An den Kopfenden des Wärmetauschers
bzw. eines Wärmetauschermoduls sind folglich jeweils zwei
Sammelkammern, nämlich einerseits für das erste
Medium und andererseits für das zweite Medium, angeordnet.
So tritt das eine Medium in die entsprechende Zulauf-Sammelkammer
ein und wird dort auf die jeweiligen Rohrstränge verteilt.
Das Medium durchläuft dann in einer konstanten und einheitlichen
Richtung diese parallelen Rohrstränge und tritt am anderen Ende
des Wärmetauschers aus den Rohrsträngen aus und
wiederum in eine gemeinsame Ablauf-Sammelkammer ein. In diesen Sammelkammern
erfolgt folglich ein zusätzlicher interner Wärmeausgleich
des jeweiligen Mediums bzw. der jeweiligen Schlammsorte. Dieses
ist insbesondere dann von besonderer Bedeutung, wenn – wie
im Folgenden noch erläutert wird – mehrere derartige
Wärmetauschermodule hintereinander geschaltet werden.
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An
jedem Kopfende des Moduls sind vorzugsweise jeweils zwei Sammelkammern
unmittelbar benachbart zueinander und durch eine Trennwand getrennt
angeordnet. Im Falle eines Gegenstromwärmetauschers sind
an einem Kopfende des Wärmetauschers folglich einerseits
die erste Zulauf-Sammelkammer und andererseits die zweite Ablauf-Sammelkammer
unmittelbar benachbart zueinander und durch eine Trennwand voneinander
getrennt angeordnet. An dem anderen Kopfende des Wärmetauschermoduls
sind einerseits die zweite Zulauf-Sammelkammer und andererseits
die erste Ablauf-Sammelkammer unmittelbar benachbart zueinander
und durch eine weitere Trennwand getrennt angeordnet. Wird im Gleichstrombetrieb
gearbeitet, so sind an einem Kopfende zwei Zulauf-Sammelkammern
und an dem anderen Kopfende zwei Ablauf-Sammelkammern angeordnet.
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Eine
solche paarweise benachbarte Anordnung von zwei Sammelkammern für
unterschiedliche Medien lässt sich konstruktiv auf unterschiedliche
Art und Weise realisieren. Die Trennwand kann in einer ersten Ausführungsform
im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung des Wärmetauschermoduls
bzw. zur Längsrichtung der Rohrleitungen angeordnet sein,
wobei die beiden Sammelkammern an einem Kopfende in Längsrichtung
hintereinander angeordnet sind. Eine solche Trennwand ist bei einem
Modul in Horizontalbauweise folglich vorzugsweise vertikal bzw.
im Wesentlichen vertikal angeordnet. Eine Sammelkammer schließt
dann unmittelbar an die (z. B. kastenförmigen) Rohrstränge
an und erstreckt sich bis zur (vertikalen) Trennwand und die andere
Sammelkammer schließt "dahinter" an die Trennwand an. Bei
einer solchen Ausführungsform mit hintereinander angeordneten
Sammelkammern ist es vorteilhaft, wenn die Rohrstränge
des ersten Rohrleitungsbündels über erste Zwischenrohre
durch eine Sammelkammer des zweiten Mediums hindurchgeführt
sind, wobei diese Zwischenrohre dann in eine Sammelkammer für
dieses erste Medium münden. Die Rohrstränge des
zweiten Rohrleitungsbündels sind über zweite Zwischenrohre
durch eine Sammelkammer des ersten Mediums hindurchgeführt,
wobei diese Zwischenrohre in eine Sammelkammer für das
zweite Medium münden. Diese Zwischenrohre können sowohl
bei Ausführungsformen im Gegenstrombetrieb als auch bei
Ausführungsformen im Gleichstrombetrieb vorhanden sein.
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Dabei
ist es zweckmäßig, wenn die Rohrstränge
in an sich bekannter Weise als kastenförmige Rohrstränge
mit im Wesentlichen quadratischem oder rechteckförmigem
Querschnitt ausgebildet sind, deren Rohrwände die Wärmeübertragungsflächen bilden,
wobei jeweils paarweise benachbarte Rohrstränge von einerseits
dem ersten Medium und andererseits dem zweiten Medium im Gegenstrom
durchströmt werden und jeweils (paarweise) diagonal zueinander
angeordnete Rohrstränge von demselben Medium durchströmt
werden.
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Unter
Berücksichtigung der Tatsache, dass die Rohrstränge
selbst als vorzugsweise kastenförmige Rohrstränge
ausgebildet sind, schlägt die Erfindung in einer bevorzugten
Weiterbildung vor, dass die endseitig an die kastenförmigen
Rohrstränge angeschlossenen Zwischenrohre vorzugsweise
einen davon abweichenden Querschnitt, z. B. einen runden Querschnitt
oder auch einen ovalen Querschnitt aufweisen. Dabei ist es zweckmäßig,
wenn der Durchmesser der beispielsweise runden Zwischenrohre in etwa
der Kantenlänge der kastenförmigen Rohrstränge
entspricht oder etwas kleiner ist. Durch diese unterschiedlichen
Querschnittsformen wird erreicht, dass einerseits ein einwandfreier
Transport des ersten Mediums durch eine Sammelkammer des zweiten
Mediums erfolgen kann und umgekehrt und andererseits jedoch die
Sammelkammer nicht vollständig von diesen Zwischenrohren
ausgefüllt wird, sondern ausreichend Raum für
die Durchmischung bzw. Verteilung des entsprechenden Mediums in
dieser Sammelkammer verbleibt.
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In
einer alternativen (zweiten) Ausführungsform besteht die
Möglichkeit, dass die Trennwand im Bereich eines Kopfendes,
welche die beiden Sammelkammern voneinander trennt, nicht senkrecht
zur Längsrichtung des Wärmetauschermoduls ausgerichtet
ist, sondern dass diese Trennwand im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung
des Wärmetauschermoduls verläuft. Die beiden Sammelkammern in
einem Kopfende sind bei einer solchen Ausführungsform (bezogen
auf die Längsrichtung) folglich nebeneinander oder übereinander
angeordnet. Die Trennwand kann bei einem Modul in Hoizontalbauweise
vorzugsweise in einer horizontalen Ebene ausgerichtet sein, so dass
sie das Kopfende folglich in eine obere Sammelkammer und in eine
untere Sammelkammer trennt. Die Erfindung umfasst jedoch auch Ausführungsformen,
bei denen die sich in Längsrichtung erstreckende Trennwand
vertikal ausgerichtet ist und das Kopfende folglich in zwei nebeneinander
angeordnete Sammelkammern trennt.
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Auch
bei diesen (zweiten) Ausführungsformen ist es zweckmäßig,
wenn die Rohrstränge als kastenförmige Rohrstränge
mit im Wesentlichen quadratischem oder rechteckigem Querschnitt
ausgebildet sind, deren Rohrwände die Wärmetauscherflächen
bilden, wobei jeweils paarweise benachbarte Rohrstränge
von einerseits dem ersten Medium und andererseits dem zweiten Medium
durchströmt werden.
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Auch
wenn bei den Ausführungsformen mit sich in Längsrichtung
erstreckender Trennwand zwei Sammelkammern übereinander
bzw. nebeneinander angeordnet sind, ist es in einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, wenn sich die Rohrstränge über
die gesamte Höhe bzw. Breite der Kopfenden und folglich über
die Höhe bzw. Breite beider Sammelkammern erstrecken. Um
zu gewährleisten, dass das jeweilige Medium ausschließlich
in die jeweils zugeordnete Sammelkammer gelangt, sind in die Rohrstränge
Verschlussstücke, vorzugsweise Leitstücke mit
schräg verlaufenden Leitflächen eingesetzt, welche
den Zugang von dem jeweiligen Rohrstrang zu einer Sammelkammer blockieren
und den Zugang zu der benachbarten Sammelkammer freigeben. Dabei
kann es sich beispielsweise um dreieckförmige bzw. keilförmige
Leitstücke handeln, welche sehr einfach herstellbar sind
und beispielsweise aus einem Blech geschnitten sind. Die Verschlussstücke
können aber auch eine andere Form (ohne Leitfunktion bzw.
Leitfläche) aufweisen, z. B. als einfache plattenförmige
Endstücke. Die Dicke der Verschluss- bzw. Leitstücke
kann zugleich den Abstand zwischen den benachbart angeordneten Kastenprofilen
bestimmen, d. h. die Verschluss- bzw. Leitstücke bilden
zugleich Abstandhalter und haben folglich eine Doppelfunktion. Die
Erfindung umfasst aber auch Ausführungsformen, bei denen
für jeden Rohrstrang ein Vollrohr bzw. Kastenprofil eingesetzt wird,
so dass dann auf Abstandhalter verzichtet wird. Dennoch kann es
zweckmäßig sein, Verschlussstücke vorzusehen,
welche dann in ihrem Außendurchmesser an den Innendurchmesser
der Rohre angepasst sind.
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Ferner
schlägt die Erfindung vor, dass das Wärmetauschermodul
(insgesamt) im Bereich der Rohrleitungsbündel bzw. Rohrstränge
einen im Wesentlichen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt
aufweist. Eine solche Bauweise bietet sich insbesondere dann an,
wenn mit kastenförmigen Rohrsträngen gearbeitet
wird. Insgesamt gelingt über die kastenförmigen
Querschnitte Wand an Wand eine hervorragende Wärmeübertragung,
da große Wärmeübertragungsflächen
garantiert sind. Der Aufbau ist konstruktiv einfach, da sich derartige
kastenförmige Rohrstränge dicht an dicht verarbeiten
lassen. Dabei ist es grundsätzlich möglich, mit
kastenförmigen Rohren sowohl für das erste Medium
als auch für das zweite Medium zu arbeiten, wobei die Rohre
dicht an dicht gepackt werden. In bevorzugter Weiterbildung der
Erfindung besteht jedoch die Möglichkeit, lediglich für
eines der Medien „volle" Kastenrohre einzusetzen, welche
dann im Querschnitt gleichsam z. B. „schachbrettartig"
angeordnet werden, so dass das zweite Medium dann nicht in den Kastenrohren selbst,
sondern in den von diesen Kastenrohren gebildeten ebenfalls kastenförmigen
Zwischenräumen geführt wird. Dieses hat nicht
nur eine kostengünstige bzw. materialsparende Fertigung
zufolge, sondern es wird auch eine besonders hohe Wärmeübertragung
gewährleistet, da lediglich mit „einfachen" Trennwänden
gearbeitet wird. Die Fertigung ist auch deshalb einfach, weil im
Zuge des Schachtelns der Rohrstränge keine vollständig
trennenden Schweißverbindungen vorgenommen werden müssen,
da die jeweils diagonal zueinander angeordneten Hohlräume
zwischen den Kastenprofilen stets von ein und demselben Medium durchströmt
werden. Die schachbrettartige Anordnung der Kastenprofile bietet sich
insbesondere bei der ersten Ausführungsform mit senkrecht
zur Längsrichtung verlaufender Trennwand an. Doch auch
bei der zweiten Ausführungsform mit parallel zur Längsrichtung
verlaufender Trennwand ist es nicht erforderlich, "volle" Kastenprofile
sowohl für das erste Medium als auch für das zweite
Medium zu verwenden. Vielmehr ist es ausreichend, wenn die Rohrstränge
für das eine Medium von z. B. recht eckförmigen
Kastenprofilen gebildet werden, welche mit vorgegebenem Abstand
zueinander angeordnet sind, wobei die Rohrstränge für
das andere Medium dann – wie beschrieben – von
den Zwischenräumen zwischen zwei beabstandeten und benachbarten
Kastenprofilen gebildet werden.
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Nach
einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Sammelkammern einen im Wesentlichen runden oder rechteckigen Querschnitt
aufweisen. Sie können z. B. von Rundrohrabschnitten gebildet
werden.
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Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher bzw. das
erfindungsgemäße Wärmetauschermodul ist
inspektions- und wartungsfreudig, da die Rohrstränge über
die endseitigen Sammelkammern gut zugänglich sind. So schlägt
die Erfindung vor, dass die Sammelkammern jeweils zumindest einen
Wartungszugang, z. B. eine verschließbare Wartungsöffnung
aufweisen. Insbesondere bei Modulen der ersten Ausführungsform
wird bei den jeweils endseitig angeordneten, äußeren
Sammelkammern eines Moduls ein solcher Wartungszugang z. B. über
die stirnseitige Öffnung des Rundrohres realisiert, welche
mit einem üblichen Flansch verschließbar ist.
Bei den jeweils inneren Sammelkammern, welche unmittelbar an die Rohrstränge
angeschlossen sind und welche ggf. nicht stirnseitig zugänglich
sind, da sie zwischen Rohrsträngen einerseits und der jeweils
anderen Sammelkammer andererseits liegen, empfiehlt es sich, einen
umfangsseitigen Wartungszugang zu realisieren, z. B. eine umfangsseitig
vorgesehene Wartungsöffnung, welche über eine
Wartungsklappe bzw. einen Wartungsdeckel verschließbar
ist. Die umfangsseitigen Wartungszugänge können
jedoch auch von umfangsseitigen Rohrstutzen mit Flanschanschlüssen
gebildet werden. Bei Modulen der zweiten Ausführungsform
sind in der Regel sämtliche Sammelkammern stirnseitig zugänglich,
so dass z. B. ein gemeinsamer, abnehmbarer Deckel ausreichend ist.
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Von
besonderer Bedeutung ist im Rahmen der Erfindung die Tatsache, dass
sich das beschriebene Wärmetauschermodul hervorragend mit
weiteren Wärmetauschermodulen kombinieren lässt,
so dass die Erfindung in besonders bevorzugter Ausführungsform
einen Wärmetauscher vorschlägt, welcher sich durch
mehrere in Reihe hintereinander geschaltete Wärmetauschermodule
der beschriebenen Art auszeichnet, wobei diese Wärmetauschermodule nacheinander
von den Medien im Gegenstrom (oder im Gleichstrom) durchströmt
werden. Durch die beschriebene erfindungsgemäße
Bauweise ist es nun nicht erforderlich, einzelne Rohrstränge
eines Moduls mit korrespondierenden Rohrsträngen eines
anderen Moduls zu verbinden, sondern die Erfindung schlägt
vor, dass eine Ablauf-Sammelkammer eines Moduls über eine
(gemeinsame) Verbindungsleitung mit einer Zulauf-Sammelkammer des
jeweils nachgeordneten Moduls verbunden ist. Nachdem folglich das
Medium die Rohrstränge eines Moduls durchlaufen hat, gelangt
es in die Ablauf-Sammelkammer. Dort erfolgt – wie bereits
beschrieben – ein interner Wärmeausgleich bzw.
eine Homogenisierung der jeweiligen Schlammsorte, bevor diese über
die Verbindungsleitung dann in das nächste Wärmetauschermodul
gelangt. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass bei
hinreichend großen Querschnitten der Rohrstränge,
welche insbesondere bei der Förderung von Schlämmen
erforderlich sind, innerhalb eines solchen Rohrstranges ein inhomogenes
Temperaturprofil entsteht, da der Schlamm in den wandnahen Bereichen
stärker von der Temperatur des auf der anderen Wandseite
geführten anderen Mediums beeinflusst wird. Damit nimmt
der Wärmeübertragungsgrad bei sehr langen Rohrsträngen mit
zunehmender Rohrstranglänge ab. Aus diesem Grunde empfiehlt
die Erfindung, mit verhältnismäßig kurzen
Einzelmodulen zu arbeiten und statt dessen eine Mehrzahl von Modulen
hintereinanderzuschalten, wobei jeweils zwischen den Modulen eine
Durchmischung der jeweiligen Schlammsorte erfolgt.
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Die
in Reihe hintereinander geschalteten Module müssen im Übrigen
nicht zwingend räumlich hintereinander angeordnet sein,
sie können selbstverständlich auch nebeneinander
und/oder übereinander bzw. untereinander angeordnet sein.
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Ferner
besteht optional oder ergänzend die Möglichkeit,
mehrere Module oder auch mehrere in Reihe hintereinandergeschaltete
Module (zusätzlich) in einem Parallelbetrieb zu schalten.
Insbesondere können mehrere Modulreihen parallel nebeneinander geschaltet
werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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1 einen
erfindungsgemäßen Wärmetauscher bzw.
ein Wärmetauschermodul in einer ersten Ausführungsform,
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2 eine
stirnseitige Ansicht auf den Gegenstand nach 1,
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3 einen
erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit mehreren
hintereinandergeschalteten Wärmetauschermodulen der ersten
Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht und
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4 einen
Ausschnitt aus dem Gegenstand nach 3 in einer
vereinfachten Seitenansicht,
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5 eine
Abwandlung der ersten Ausführungsform nach 3,
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6 einen
erfindungsgemäßen Wärmetauscher bzw.
ein Wärmetauschermodul in einer zweiten Ausführungsform
in einer vereinfachten Seitenansicht im Schnitt,
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7 den
Gegenstand nach 6 in einer vereinfachten Draufsicht
mit abgenommener Abschlussplatte,
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8 den
Gegenstand nach 6 in einer perspektivischen
Explosionsdarstellung und
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9 einen
erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit mehreren
hintereinander geschalteten Wärmetauschermodulen der zweiten
Ausführungsform gem. 8.
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In
den Figuren ist ein Wärmetauscher zur Wärmeübertragung
von einem ersten Medium a, z. B. aufgeheiztem Faulschlamm, an ein
zweites Medium b, z. B. kaltem Rohschlamm, dargestellt. Im Ausführungsbeispiel
weist ein solcher Wärmetauscher mehrere Wärmetauschermodule
M auf (vgl. 3 und 4). Der
grundsätzliche Aufbau eines Wärmetauschermoduls
M in Horizontalbauweise ist z. B. in den 1 und 2 dargestellt.
Horizontalbauweise meint, dass die Rohrstränge eines Moduls
im Betrieb in (etwa) horizontaler Richtung verlaufen.
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Das
Wärmetauschermodul M weist ein erstes Rohrleitungsbündel
mit mehreren Rohrsträngen 1a für das
erste Medium a, z. B. den Faulschlamm, sowie ein zweites Rohrleitungsbündel
mit mehreren Rohrsträngen 1b für das
im Gegenstrom zu dem ersten Medium a geführte zweite Medium
b, z. B. den Rohschlamm, auf. Die Rohrstränge 1a, 1b des
ersten und des zweiten Rohrbündels sind dabei innerhalb eines
solchen Moduls M im Wesentlichen parallel zueinander und im Wesentlichen
gradlinig ohne bogenförmige Umlenkstrecken angeordnet.
Das erste Medium a durchläuft folglich das Wärmetauschermodul M
in im Wesentlichen parallel angeordneten ersten Rohrsträngen 1a in
einer einheitlichen Richtung von einem Kopfende zum anderen Kopfende
des Wärmetauschers, während das andere Medium
b durch die Rohrstränge 1b das Modul M in einheitlicher,
entgegengesetzter Richtung von einem Kopfende zum anderen Kopfende
durchläuft.
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Im
Rahmen der Erfindung sind nun im Bereich der Kopfenden des Wärmetauschermoduls
M jeweils zwei Sammelkammern für den Zulauf und den Ablauf
der Medien 1a und 1b vorgesehen. Dabei münden
die Rohrstränge 1a des ersten Rohrleitungsbündels
an einem Ende in eine gemeinsame Zulauf-Sammelkammer 2a und
an ihrem gegenüberliegenden Ende in eine gemeinsame erste
Ablauf-Sammelkammer 3a. Dementsprechend münden
die Rohrstränge 1b des zweiten Rohrleitungsbündels
an einem Ende in eine zweite Zulauf-Kammer 2b und an ihrem
gegenüberliegenden Ende in eine zweite Ablauf-Sammelkammer 3b.
An jedem Kopfende sind folglich zwei Sammelkammern 2a, 3b bzw. 3a, 2b angeordnet,
welche an jedem Kopfende durch eine Trennwand 7, 7' voneinander
getrennt sind. Folglich sind die erste Zulauf-Sammelkammer 2a und
die zweite Ablauf-Sammelkammer 3b unmittelbar benachbart
zueinander und durch die Trennwand 7 bzw. 7' voneinander
getrennt angeordnet, während die zweite Zulauf-Sammelkammer 2b und
die erste Ablauf-Sammelkammer 3a ebenfalls unmittelbar
benachbart zueinander und durch die Trennwand 7 bzw. 7' getrennt
voneinander angeordnet sind.
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Bei
den ersten Ausführungsformen gem. 1 bis 5 verläuft
die Trennwand 7 im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung
L des Wärmetauschermoduls M bzw. der Rohrstränge.
Bei diesen Ausführungsformen sind folglich zwei Sammelkammern
an jeweils einem Kopfende in Längsrichtung L hintereinander
angeordnet. Die eine Sammelkammer (z. B. 3b) eines Kopfendes
schließt unmittelbar an die Rohrstränge an und
die andere Sammelkammer (z. B. 2a) ist dann "hinter" der
ersten Sammelkammer und folglich beabstandet von den Rohrsträngen
angeordnet. Bei einer solchen Ausführungsform schlägt die
Erfindung vor, dass die Rohrstränge 1a des ersten
Rohrleitungsbündels über erste Zwischenrohre 4a durch
die zweite Ablauf-Sammelkammer 3b hindurchgeführt
sind, wobei diese Zwischenrohre 4a dann in die erste Zulauf-Sammelkammer 2a münden. Dementsprechend
sind die Rohrstränge 1b des zweiten Rohrleitungsbündels über
zweite Zwischenrohre 4b durch die erste Ablauf-Sammelkammer 3a hindurchgeführt,
so dass sie in die zweite Zulauf-Sammelkammer 2b münden.
Durch die erfindungsgemäße Bauweise gelingt es,
dass jeweils ein Medium das Wärmetauschermodul in einer
einheitlichen Transportrichtung ohne Umlenkstrecken durchläuft
und dennoch ein Wärmeaustausch im Gegenstrom realisiert
wird und schließlich eine Zuführung und Abführung
der Medien über einheitliche Sammelkammern gelingt.
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Die
Rohrstränge 1a, 1b sind dabei als kastenförmige
Rohrstränge mit im Wesentlichen quadratischem Querschnitt
ausgebildet, wobei die Rohrwände die Wärmeübertragungsflächen
bilden. Jeweils paarweise benachbarte Rohrstränge werden von
einerseits dem ersten Medium a und andererseits dem zweiten Medium
b durchströmt, so dass jeweils diagonal zueinander angeordnete
Rohrstränge von demselben Medium a oder b in derselben
Richtung durchströmt werden. Im ersten Ausführungsbeispiel
nach 2 ist erkennbar, dass in konstruktiver Hinsicht
lediglich für eines der Medien tatsächlich kastenförmige
Profile eingesetzt werden, welche gleichsam schachbrettartig versetzt
zueinander miteinander verschweißt werden. Auf diese Weise
entstehen in den Zwischenräumen die Rohrstränge
für das jeweils andere Medium. Die verwendeten Kastenprofile
werden folglich an ihren Kanten miteinander verschweißt,
wobei keine flüssigkeitsdichte Schweißverbindung
erforderlich ist, da die jeweils diagonal zueinander angeordneten
gebildeten Hohlräume von ein und demselben Medium durchströmt werden.
Die im Randbereich angeordneten Zwischenräume, die nicht
allseitig von Vollrohren bzw. kastenförmigen Profilen begrenzt
werden, sind in dem Ausführungsbeispiel mit Abschlussstücken,
z. B. Flachprofilen bzw.
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Flachblechen 15 verschlossen.
Alternativ könnten jedoch auch Abschlussplatten vorgesehen sein,
welche mehrere Zwischenräume überspannen und sich
z. B. über die gesamte Breite bzw. Höhe des Moduls
erstrecken. Dieses ist nicht dargestellt.
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Eine
vergleichende Betrachtung der 1 und 2 macht
im Übrigen deutlich, dass die Zwischenrohre 4a und 4b nicht
als Kastenprofile ausgebildet sind, sondern einen davon abweichenden Querschnitt,
nämlich im Ausführungsbeispiel einen runden Querschnitt
aufweisen. Der Durchmesser d dieser Zwischenrohre entspricht in
etwa der Kantenlänge k der Kastenrohre oder er ist etwas
kleiner. Die runden Zwischenrohre 4a, 4b werden
folglich endseitig an die jeweiligen Kastenprofile angeschlossen,
z. B. angeschweißt, so dass das Medium aus den Rohrsträngen
durch das Zwischenrohr hindurch in die jeweilige Sammelkammer gelangt.
In diesem Fall ist die Verbindung zwischen dem Zwischenrohr und dem
entsprechenden Kastenprofil flüssigkeitsdicht auszugestalten,
d. h., das Medium darf aus dem Kastenprofil ausschließlich
in das Zwischenrohr gelangen und nicht in die unmittelbar angrenzende
Sammelkammer, da diese dem jeweils anderen Medium zugeordnet ist.
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Insgesamt
wird deutlich, dass das Wärmetauschermodul M im Bereich
der Rohrleitungsbündel einen im Wesentlichen quadratischen
Querschnitt aufweist, während die kopfseitig angeordneten
Sammelkammern bei der ersten Ausführungsform einen im Wesentlichen
runden Querschnitt aufweisen und folglich von Rundrohrabschnitten
gebildet werden.
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Jeder
Sammelkammer 2a, 3a, 2b, 3b ist
jeweils ein Wartungszugang 5a, 6a, 5b, 6b zugeordnet. Die
jeweils endseitigen und folglich äußeren Sammelkammern 2a, 2b eines
Moduls weisen dabei eine stirnseitige Öffnung auf, welche
von einem stirnseitigen Abschlussflansch verschließbar
ist. Die jeweils unmittelbar an die Rohrstränge 1a, 1b angeschlossenen,
inneren Sammel kammern 3a, 3b weisen einen umfangsseitigen
Wartungszugang auf, welcher von einer umfangsseitigen Öffnung
gebildet werden kann.
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In
den 3 und 4 ist erkennbar, dass der erfindungsgemäße
Wärmetauscher im Ausführungsbeispiel mehrere Wärmetauschermodule
M aufweist, welche nacheinander von dem jeweiligen Medium durchströmt
werden. Dabei ist von besonderer Bedeutung, dass aufgrund des erfindungsgemäßen
Aufbaus mit den kopfseitigen Sammelkammern nicht etwa die einzelnen
Rohrstränge 1a, 1b eines Moduls mit den
einzelnen Rohrsträngen 1a, 1b eines benachbarten
Moduls M verbunden werden, sondern dass eine Abführ-Sammelkammer 3a bzw. 3b mit
einer Zuführ-Sammelkammer 2b bzw. 2a eines
jeweils nachgeordneten Moduls verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel
ist dabei lediglich eine einzige Verbindungsleitung 8a, 8b für
jeweils ein Medium a bzw. b zwischen zwei Modulen M vorgesehen.
Auf diese Weise erfolgt – wie bereits beschrieben – nach
Austritt der Medien aus den Rohrsträngen eine Durchmischung
bzw. Homogenisierung einer Schlammsorte in den Sammelkammern und
auch in den Verbindungsleitungen, so dass insgesamt mit besonders hohem
Wirkungsgrad der Wärmeübertragung gearbeitet werden
kann. Dabei können die einzelnen Module räumlich
hintereinander angeordnet sein. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit,
so wie in 3 dargestellt, die Module gleichsam
verschachtelt bzw. nebeneinander anzuordnen. Eine entsprechende Umlenkung
ist hinsichtlich der Wärmeübertragung unproblematisch,
da keine Umlenkung innerhalb der einzelnen Rohrstränge
erfolgt, sondern lediglich über die (einheitlichen) Verbindungsrohre.
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Dazu
sind an die Kopfenden bzw. an die Sammelkammern Anschlussrohrstutzen 9a, 9b mit jeweils
Anschlussflanschen 10a, 10b angeschlossen, welche
die Verbindung der einzelnen Module über die Verbindungsleitungen 8a bzw. 8b ermöglichen.
Die Anschlussflansche sind – wie im Ausführungsbeispiel – vorzugsweise
umfangsseitig an die Rundrohre bzw. Sammelkammern ange schlossen. Damit
besteht die Möglichkeit, die stirnseitigen Abschlussflansche
der Sammelkammern als Wartungszugänge zu verwenden, so
wie dieses bereits beschrieben wurde.
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Bei
der Ausführungsform nach den 1 bis 4 sind
die umfangsseitigen Wartungsöffnungen 6a, 6b der
inneren Kammern 3a, 3b von umfangsseitigen Öffnungen
gebildet, welche mit jeweils einem Deckel oder einer Klappe verschließbar
sind.
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Bei
der abgewandelten Ausführungsform nach 5 sind
als Wartungszugänge 6a, 6b für
die inneren Sammelkammern 3a, 3b umfangsseitig Rohrstutzen
mit Anschlussflanschen angeschlossen. Diese sind in dem Ausführungsbeispiel
nach 5 unterseitig am Wärmetauschermodul M
angeordnet, so dass mit verringertem Arbeitsaufwand bei der Entleerung
des Rekuperators-Moduls gearbeitet werden kann.
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Im Übrigen
unterscheidet sich die Ausführungsform nach 5 von
der Ausführungsform nach den 1 bis 4 durch
die umfangsseitige Ausrichtung der Verbindungsleitungen 8a, 8b bzw. der
Anschlussrohrstutzen 9a, 9b. Während
die Rohrstutzen 9a, 9b bei der Ausführungsform
nach 1 bis 4 gleichsam fluchtend angeordnet
sind, sind bei der Ausführungsform nach 5 die
beiden Rohrstutzen 9a, 9b an einem Kopfende jeweils
winkelmäßig versetzt zueinander angeordnet.
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Die
einzelnen Module werden vorzugsweise aus Kastenprofilen aus Stahl,
z. B. einfachem Baustahl, z. B. der Güte ST-37, gefertigt.
Die Kantenlänge der Kastenprofile können dabei
20 mm bis 230 mm, z. B. 20 mm bis 100 mm, z. B. 40 mm bis 80 mm betragen.
Im Ausführungsbeispiel nach 1 bis 5 ist
ein Modul mit einer Kantenlänge von 60 mm dargestellt.
Der Baustahl kann eine Stärke von 2 mm bis 6 mm, z. B.
3 mm bis 5 mm, vorzugsweise 4 mm aufweisen. Die von Rundrohrabschnitten
gebildeten Sammelkammern weisen vorzugsweise einen Gesamtdurchmesser
von 200 mm bis 1000 mm, z. B. 400 mm bis 800 mm auf. Im Ausführungsbeispiel
ist ein Rohr DN 600 dargestellt. Der Rohrdurchmesser ist jedoch
nicht auf Werte bis auf 1.000 mm beschränkt. Grundsätzlich
kann auch mit größeren Rohrdurchmessern gearbeitet
werden, z. B. bis 2.500 mm.
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Während
die 1 bis 5 erste Ausführungsformen
zeigen, bei denen die Sammelkammern eines Kopfendes gleichsam hintereinander
angeordnet sind, zeigen die 6 bis 9 eine
abwandelte zweite Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die
Sammelkammern 2a, 3b oder 3a, 2b eines
Kopfendes übereinander (bzw. nebeneinander) angeordnet
sind. Die Trennwand 7' gem. 6 bis 8 verläuft
folglich im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung L eines
Wärmetauschermoduls. Im Ausführungsform ist die
Trennwand 7' im Wesentlichen horizontal ausgerichtet. Sie
trennt ein Kopfende in zwei übereinander bzw. untereinander
angeordnete Sammelkammern 2a und 3b bzw. 3a und 2b.
Die Rohrstränge 1a, 1b sind auch bei
dieser Ausführungsform als kastenförmige Rohrstränge
mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt ausgebildet, deren
Rohrwände die Wärmetauscherflächen bilden,
wobei jeweils paarweise benachbarte Rohrstränge von einerseits
dem einen Medium und andererseits dem anderen Medium durchströmt
werden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel werden lediglich
für eines der Medien tatsächlich kastenförmige
Profile eingesetzt, wobei diese kastenförmigen Profile
beabstandet nebeneinander angeordnet sind. Diese kastenförmigen Profile
bilden die Rohrstränge (z. B. 1b) für
das eine Medium (z. B. b), während die Rohrstränge
(z. B. 1a) für das andere Medium (z. B. a) von
den Zwischenräumen zwischen den kastenförmigen
Profilen gebildet werden. Eine vergleichende Betrachtung der 6 und 8 macht
deutlich, dass sich die Rohrstränge 1a und 1b über
die gesamte Höhe der Kopfenden und folglich über
die Höhe beider Sammelkammern eines Kopfendes erstrecken.
Um jedoch zu gewährleisten, dass die Medien in der gewünschten Weise
von einer Sammelkammer an einem Kopfende zu einer anderen Sammelkammer
am anderen Kopfende transportiert werden, sind endseitig in die
Rohrstränge Leitstücke 11 mit schräg
verlaufenden Leitflächen 12 eingesetzt. Diese
Leitstücke, welche sich vorzugsweise über die
halbe Höhe der Rohrstränge 1a, 1b und
folglich über die Höhe der jeweils zugeordneten
Sammelkammer erstrecken, blockieren den Zugang von dem jeweiligen
Rohrstrang zu der einen Sammelkammer und geben den Zugang zu der
darunter bzw. darüber angeordneten Sammelkammer frei. Interessant
ist dabei die Tatsache, dass diese Leitstücke 11 zugleich
als Distanzelemente bzw. Abstandshalter funktionieren, denn gem. 8 sind
die Kastenprofile unter Zwischenschaltung dieser Distanzelemente 11 nebeneinander
angeordnet. Das Funktionsprinzip der Wärmetauschermodule
gem. 6 bis 9 entspricht dem Funktionsprinzip
der Wärmetauschermodule gem. 1 bis 5. Auch bei dieser zweiten
Ausführungsform gem. 6 bis 9 ist gewährleistet,
dass ein unmittelbarer Wärmeaustausch zwischen paarweise
nebeneinander angeordneten Rohrsträngen erfolgt. Auf ein
Hin- und Herführen eines Mediums innerhalb eines Moduls über
Umlenkstrecken wird jedoch auch bei dieser Ausführungsform
verzichtet, denn sämtliche Rohrstränge eines Rohrleitungsbündels
verlaufen auch hier innerhalb eines Moduls im Wesentlichen parallel
und geradlinig zueinander. Sie münden beidseitig jeweils
in die beschriebenen Sammelkammern. Der "Weg" der Medien a, b soll
anhand einer vergleichenden Betrachtung der 6 bis 9 erläutert
werden. So tritt das erste Medium, z. B. der Faulschlamm a über den
Anschlussrohrstutzen 9a in die erste (obere) Sammelkammer 2a des
Wärmetauschermodul M ein. Von dort durchströmt
es die Rohrstränge 1a und gelangt dann aufgrund
der eingesetzten Leitstücke 11 ausschließlich
in die untere Sammelkammer 3a am gegenüberliegenden
Kopfende des Moduls M. Von dort wird es nun nicht innerhalb desselben
Moduls zurückgeführt, sondern das Medium a tritt
von dort über den Anschlussstutzen 9a aus dem
Modul M aus und in ein weiteres Modul M ein. Dort tritt der Faulschlamm
a nun wiederum in die obere Sammelkammer 2a an einem Kopfende
ein und am gegenüberliegenden Kopfende über die
untere Sammelkammer 3a aus. Der Rohschlamm b wird in diesem
Ausführungsbeispiel im Gegenstrom geführt. Dieses
ist ebenfalls angedeutet.
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Der
konstruktive Aufbau des Wärmetauschermoduls M dieser zweiten
Ausführungsform ergibt sich insbesondere aus der 7.
Es ist erkennbar, dass eine Vielzahl von Kastenprofilen durch die Leitstücke 11 beabstandet
nebeneinander angeordnet werden, wobei eine obere und eine untere
Abschlussplatte 13 vorgesehen sind, um die von den Zwischenräumen
gebildeten Rohrstränge ober- und unterseitig abzuschließen.
Auch die Sammelkammern sind sehr einfach aufgebaut. Sie haben im
Ausführungsbeispiel einen rechteckigen Querschnitt und sind
stirnseitig mit Abschlussplatten 14 verschlossen, welche
zugleich als Wartungszugänge genutzt werden können. 9 zeigt
dabei, wie derartige Wärmetauschermodule M zu einem Wärmetauscher
in Modulbauweise zusammengesetzt werden können.
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In
den Figuren sind Ausführungsformen für einen Gegenstrombetrieb
gezeigt. Die Erfindung lässt sich jedoch in entsprechender
Weise auch im Gleichstromprinzip einsetzen, wobei dann an einem Kopfende
jeweils zwei Zulauf-Sammelkammern und an dem anderen Kopfende jeweils
zwei Ablauf-Sammelkammern angeordnet sind. Diese Option, die für alle
dargestellten Ausführungsformen besteht, ist in den Figuren
nicht dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3233407
A1 [0004]
- - EP 1815902 A1 [0005]
- - DE 19653989 A1 [0005]
- - DE 102007005370 A1 [0005]
- - DE 10159839 A1 [0005]