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Die
Erfindung bezieht sich auf einen vertikal angeströmten
Tropfenabscheider aus rohrförmigen Prallkörpern
in Kombination mit einem konventionellen flachen oder dachförmig
gebauten Lamellenabscheider, die zur Abscheidung von Tropfen aus Rauchgasströmen
in einer Rauchgasentschwefelung eingesetzt wird.
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Rauchgase
aus fossil befeuerten thermischen Kraftwerken werden vorwiegend
nach dem Nasswaschverfahren entschwefelt. Das schwefelhaltige Rauchgas
(Suspensionslösung) wird mit Kalksteinmilch besprüht
und das im Rauchgas befindliche SO2 in den Sprühtropfen
dieser Suspensionslösung gebunden und dann in Calziumsulfitdihydrat
(Gips) umgewandelt. Die Kleineren dieser Sprühtropfen werden
durch den Gasstrom mitgeführt.
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Es
ist die Aufgabe des Tropfenabscheidersystems, diese im Rauchgasstrom
mitgeführten Tropfen abzufangen und in den Wäscherkreislauf
zurückzuführen. Andernfalls kommt es in den nachgeschalteten
Komponenten (Wärmetauscher, Rauchgaskanäle, Nassgebläse,
Schornstein usw.) zu Ablagerungen und in Folge zu Korrosion und
Druckverlusterhöhung. Die elektrische Leistung des Kraftwerks wird
gemindert (Druckverlusterhöhung verursacht erhöhten
Stromeigenverbrauch und ggf. auch eine Reduzierung der Erzeugung)
und die Wartungskosten (Sanierung von Korrosionsstellen und Reinigungskosten
zur Entfernung der Anbackungen) steigen.
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Das
Tropfenabscheidersystem trennt die Tropfen vom Gasstrom, indem es
den Rauchgasstrom umlenkt. Dabei werden die Tropfen Zentrifugalkräften
ausgesetzt und können dem Rauchgas in seinem Weg nicht
folgen, sondern prallen auf die Strömungswiderstände, die
die Umlenkung des Rauchgasstroms verursachen. Die Tropfen werden
dadurch auf diesen „Prallkörpern” abgeschieden
und damit aus dem Rauchgasstrom entfernt. Sie werden dann durch
die Schwerkraft wieder nach unten in den Waschkreislauf zurückgeführt.
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Die
Feststoffe in den Suspensionstropfen – Flugasche, Kalkstein
und Gips – lagern sich dabei auf diesen Prallkörpern
ab und bilden Anbackungen. Deshalb werden die Tropfenabscheider
mit Waschsystemen ausgerüstet, mit denen während
des Betriebs die Anbackungen wieder entfernt werden können.
Diese Waschsysteme werden regelmäßig eingeschaltet.
Es kann der Tropfenabscheider sowohl anströmseitig als
auch abströmseitig gewaschen werden – es kann
also ein Tropfenabscheider zwei Waschsysteme haben.
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Die
Tropfenabscheidersysteme sind üblicherweise zweistufig
bis dreistufig ausgelegt und jede Stufe ist mit ein bis zwei Waschsystemen
ausgerüstet. Die Betriebserfahrung zeigt, dass ein einstufiges
Abscheidersystem grundsätzlich nicht ausreichend ist, um
die Tropfen sicher aus dem Rauchgas zu entfernen. Auch zweistufige
Tropfenabscheider (Grobabscheider und Feinabscheider) entlassen noch
eine erhebliche Menge an Tropfen mit Feststoffen mit dem Rauchgas.
Viele moderne Tropfenabscheidersysteme sind deshalb dreistufig ausgelegt (Grobabscheider,
Feinabscheider und Feinstabscheider).
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Die
Tropfenabscheider sind dabei traditionell als plattenartige und
gebogene Umlenkkörper konfiguriert. Diese plattenartigen,
gebogenen und starr aufgehängten Umlenkkörper
werden so konfiguriert, dass Kanäle gebildet werden, durch
die das Rauchgas fließt. Das Ziel dieser Konfiguration
ist, einerseits eine starke Umlenkung des Rauchgases zu verursachen
und andererseits die „Versperrung” des Rauchgaswegs
durch Strömungswiderstände zu minimieren. Die
Prallkörper oder Umlenkbleche werden allgemein Lamellen
genannt – und die Abscheider entsprechend Lamellenabscheider.
Die gängigen Lamellenabscheider der verschiedenen Hersteller
unterscheiden sich nur aufgrund ihrer Geometrie, der Lamellenabstände
und der Umlenkung.
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Die
Betriebserfahrung zeigt weiter, dass in vielen Anlagen die Waschsysteme
nicht in der Lage sind, diese Lamellenabscheider im Betrieb völlig
von Anbackungen frei zu halten. Es setzt sich mit zunehmender Betriebsdauer
immer mehr Feststoff in den Kanälen zwischen den Lamellen
ab und die Durchtrittsbreite wird verengt. Es kommt partiell zu
Verstopfungen der Kanäle. Die Folge sind eine Erhöhung
des Druckverlusts (Minderung der Kraftwerksleistung) und zu einer
Verschlechterung der Abscheidung, da die auch nur geringen Anbackungen
die Drainage der Tropfen vermeiden und zu einem Anstieg des Mitriss führen.
Weiter kommt es bei fortschreitender Ablagerungsdichte zu einer
Erhöhung der Rauchgasgeschwindigkeit in den noch nicht
verstopften Lamellenkanälen. Letzteres führt auch
dort zu einer verstärkten Ablagerungsneigung und einem
beschleunigten Fortschreiten der Ablagerungen bzw. Verstopfungen
sowie irgendwann zu einem Versagen des Tropfenabscheiders. Ab einer
bestimmten Rauchgasgeschwindigkeit werden die zunächst
abgeschiedenen Tropfen nicht zurück in den Wäscher
geführt, sondern zum größeren Teil in
den Rauchgasstrom zurückgeführt (Mitriss). Der
Abscheider hat dann versagt.
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Diese
Anbackungen treten insbesondere im sogenannten Grobabscheider zuerst
auf. Die Ursache ist, dass dieser Grobabscheider die Masse der mit
Feststoffen belasteten Tropfen abscheidet (> 90%) und entsprechenden Belastungen ausgesetzt ist.
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Infolge
der Anbackungen versagt der Grobabscheider im Verlauf der Reisezeit
und der Feinabscheider übernimmt zunehmend die Funktion
des Grobabscheiders, bis auch er durch zu viele Anbackungen versagt,
bzw. der Druckverlust zu hoch wird.
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Die
abscheidungsreduzierende Wirkung der Anbackungen hat dazu geführt,
dass inzwischen weniger die grundsätzliche Abscheideleistung
eines Abscheiders (im Test mit sauberen Lamellen) im Schwerpunkt
des Interesses steht, sondern vielmehr die Neigung zu Verschmutzungen
und Anbackungen im Tropfenabscheidersystem. Eine hohe Abscheideleistung
ist nicht relevant, wenn sie durch schnelle Verschmutzung wieder
zunichte gemacht wird.
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Da
der konventionelle Lamellenabscheider trotz der online betriebenen
Waschsysteme immer wieder verschmutzt und dann mit der Zeit das
ganze System sich verschlechtert, wurde nach einer Lösung
gesucht, die zuverlässig über lange Zeitstrecken
eine gute Abscheidung gewährleistet. Es war dabei bekannt,
dass die Lösung darin besteht, dass insbesondere der erste
(Grob-)Abscheider verschmutzungsfrei gehalten werden muss. Gelingt dies,
dann bleiben auch die dahinter liegenden ein bis drei Abscheiderlagen
sauber und das System bringt eine zuverlässige und gleichmäßige
Abscheideleistung über längere Zeiträume.
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Der
Rohrabscheider wurde im letzten Jahrzehnt als Alternative zum konventionellen
Lamellenabscheider für den Einsatz als Grobabscheider entwickelt
und insbesondere in Situationen eingesetzt, in denen die vorher
eingesetzten Lamellenabscheider schon nach kurzer Zeit verschmutzten.
Durch Laborversuche wurde gezeigt, dass die Abscheideleistung des
Rohrabscheiders (in Abhängigkeit von der Konfiguration)
als Grobabscheider durchaus gleichwertig zum konventionellen Lamellenabscheider
ist. Und die Betriebserfahrungen haben gezeigt, dass dieser Rohrabscheider
auch in diesen Anlagen über lange Reisezeiten sauber bleibt,
bei denen vorher die Lamelle versagte.
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Diese
Rollenabscheider waren inzwischen in einer Vielzahl von Anwendungen
erfolgreich und haben in einer ganzen Reihe von REA, die von Verschmutzungsproblemen
geplagt waren, diese Probleme gelöst und einen störungsfreien
Betrieb ermöglicht.
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Jedoch
konnten auch Grenzen dieser Technik festgestellt werden. Sowohl
in Praxis als auch im Windkanal wurde festgestellt, dass diese Rollenabscheider – wie
sie von den oben genannten Gebrauchsmustern vorgeschlagen werden – nur
in einem begrenzten Geschwindigkeitsspektrum und bei begrenzten
Flüssigkeitsbeladungen funktionieren.
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Darin
gleichen sie den Lamellenabscheidern, die in der selben – flachen – Konfiguration
gebaut werden. Bei Lamellenabscheidern wurde im Vergleich zwischen
flach liegenden und schräg liegenden Lamelle die flach
liegende Lamelle bei Geschwindigkeiten von 5,2 bis 5,5 m/s zu versagen
begann während die schräg liegende Lamelle auch
bei Geschwindigkeiten von bis zu 8,5 m/s gute Abscheideleistungen
erbrachte.
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Bei
Rollenabscheidern liegt die Grenzgeschwindigkeit sogar noch niedriger
als beim Lamellenabscheider. Das ist dadurch erklärt, dass
der Rollenabscheider eine viel größere Fläche
versperrt als die Lamelle. Die Lamelle hat eine Breite von 2,5 mm und
die Rolle eine Breite von 50 bis 63 mm – in Einzelfällen
sogar 75 mm. Daher sind die Geschwindigkeiten zwischen den Rollen
deutlich höher als die Geschwindigkeiten zwischen den Lamellen – bei
gleicher Leerrohrgeschwindigkeit im REA Turm. Die horizontal liegende
Rolle hat demgemäß Ihren besten Einsatzbereich
bei Anströmgeschwindigkeiten von bis zu 4,5 m/s. Oberhalb
von 4,5 m/s (und relativ hoher Flüssigkeitsbeladung) versagt
der Rollenabscheider zunehmend.
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Diese
Erkenntnis führte zu dem Patent
DE 10 2006 011 185 A1 .
Hier werden die Rollen ähnlich geschrägt eingebaut
wie die Lamellen der Dachbauform. Es wird als Ziel für
dieses Patent definiert, den Einsatz von Rollenabscheidern auch
bei höheren Geschwindigkeiten zu ermöglichen und
der Vergleich mit dem dachförmigen Lamellenabscheider geführt, wo
die selbe Konfigurationsänderung zu erheblichen Verbesserungen
führte.
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Allerdings
stellte sich der Weg dieses Patents
DE 10 2006 011 185 A1 als
eine Sackgasse heraus – und zwar in vielerlei Hinsicht.
Es wird zwar richtigerweise die Kombination mit einem Lamellenabscheider
vorgeschlagen und zwar einem dachförmigen Lamellenabscheider.
Dann wird aber der Schwerpunkt auf Gleichrichtung gelegt und die
Abscheideleistung als nicht vorhanden und nicht relevant abqualifiziert.
Weiter wird auf die Verschmutzungsneigung des Rollenabscheiders
hingewiesen und daraus die Notwendigkeit der rautenförmigen oder „X”-förmigen
Anordnung der beiden Lagen abgeleitet. Zuletzt werden spezifischen
Baumerkmale diskutiert.
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Das
Patent
DE 10 2006
011 185 A1 beurteilt den Rollenabscheider völlig
falsch, wenn es die Abscheideleistung als minimal und die Verschmutzungsneigung
als hoch bezeichnet. Die Betriebserfahrungen haben gezeigt, dass
die Verschmutzungsneigung in fast allen Anlage quasi null ist – viele
Anlagen verzichten sogar auf ein online Waschsystem, was bei Lamellenabscheidern
bekanntermaßen ein Muss ist. Umgekehrt konnte sowohl in
Laborversuchen als auch im Einsatz der REA nachgewiesen werden,
dass ein Rollenabscheider als Grobabscheider fast die selbe Abscheideleistung
erbringt wie ein konventioneller und sauberer Grobabscheider und sogar
noch besser funktioniert als ein verschmutzter Lamellenabscheider.
Die Gleichrichterfunktion spielt zwar bekanntermaßen eine
unterstützende Rolle, ist aber in den meisten Fällen
nicht der Ausschlag gebende Faktor.
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Aufgrund
dieser Fehleinschätzung beschränkt sich das Patent
DE 10 2006 011 185
A1 auf die rautenförmige oder die „x”-förmige
Bauweise und spekuliert dann weiter, dass auch ovale und rechteckige
Gleichrichterkörper die Funktion des System verbesser können.
Dies geht am Ziel vorbei, weil dadurch nur eine geringfügige
Verbesserung der Systemleistung geschaffen wird während
entgegenwirkende negative Faktoren die Verbesserung rückgängig
machen.
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Es
ist vom dachförmigen Abscheider bekannt, dass die rautenförmige
Bauweise und teilweise auch die „x”-förmige
Bauweise gegenüber anderen Konfigurationen des dachförmigen
Lamellenabscheiders Nachteile hat.
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So
ist zum Beispiel bekannt, dass die Abscheideleistung eines Abscheiders
nicht nur durch die Rauchgasgeschwindigkeit beeinflusst wird sondern
zweitens auch durch das Flüssigkeitsvolumen. Wird dem Abscheider
bei einer gegebenen Rauchgasgeschwindigkeit eine erhöhte
Flüssigkeitsmenge zugeführt, dann kann es passieren,
dass der Tropfenabscheider plötzlich durchreißt.
Das beste Beispiel ist der Waschvorgang. Wenn bei einem gut funktionierenden
Abscheider die Waschbedüsung angeschaltet wird, die den
Tropfenabscheider anströmseitig besprüht, so kommt
es nach einigen Sekunden zu massivem Durchriß. Die Ursache
dieses Durchriß ist offensichtlich nicht die Geschwindigkeit sondern
die Flüssigkeitsmenge. Das Fassungsvermögen des
Tropfenabscheiders ist offensichtlich überschritten.
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Bei
beiden Konfigurationen – der rautenförmigen wie
der „x”-förmigen Konfiguration kommt
es nun dazu, dass die Flüssigkeit, die im oberen Feinabscheider
abgeschieden wurde nur auf den darunter liegenden Abscheider gelenkt
wird und teilweise wegen dessen Schrägung an dessen Lamellen
oder Rohren herunter fließt. Im Patent
DE 10 2006 011 185 A1 wird
das als Verbesserung der Reinigung gelobt. Das ist aber beim Rollenabscheider
bekanntermaßen nicht notwendig – er muss nicht
gewaschen werden. Es ist vielmehr schädlich, weil durch
die erhöhte Flüssigkeitsmenge mehr Mitriss entstehen kann
und muss.
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Dies
ist besonders stark ausgeprägt an der Übergangsstelle
zwischen Feinabscheider und Grobabscheider. Einerseits muss sich
die Flüssigkeit von der oberen Lamelle lösen und
nach unten stürzen – Möglichkeit des
Wiedermitriss – und andererseits ist diese Stelle der Bereich
mit der größten Gasströmung und Gasgeschwindigkeit.
Die schräge Bauform des unteren Abscheiders drückt
das Rauchgas auf die Seite und in genau diesen Bereich. Die Stelle
mit der höchsten Gasgeschwindigkeit ist also gleichzeitig die
Stelle mit der meisten Flüssigkeit – also auch
der Bereich mit dem meisten Durchriss. Die Flüssigkeit versperrt
den Durchtritt für das Gas und das Gas drängt
genau in diesen Bereich hinein. Das Problem verschlimmert sich mit
steigender Gasgeschwindigkeit. Insofern führt das Patent
DE 10 2006 011 185
A1 in die Sackgasse.
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Die
in diesem Gebrauchsmuster vorgeschlagene erfindungsgemäße
Konfiguration beruht auf den folgenden Konzepten:
- 1.
Trennung Gasstrom und Flüssigkeitsstrom
Es hat sich
in Versuchen als sinnvoll erwiesen, den Flüssigkeitsstrom
und den Gasstrom voneinander zu trennen. In den Bereichen mit dem
größten Flüssigkeitsmenge (am Fuss der
Lamelle) sollte die geringste Gasströmung sein und an der Stelle
mit der geringsten Flüssigkeitsmenge (an der Spitze des
Lamellenabscheiders) die meiste Gasstrommenge.
- 2. Verwendung der Dachbauform
Die Dachbauform wird als
sinnvoll erkannt und genutzt. Dadurch wird sicherer Betrieb in höheren Gasgeschwindigkeiten
erreicht als bei horizontaler Anordnung. Der Grund liegt insbesondere
darin, dass bei einer schräg gestellten Rolle das Ablaufen
der abgeschiedenen Flüssigkeit beschleunigt wird. Die Flüssigkeit
muss nicht wie bei der horizontalen Anordnung gegen den Gasstrom nach
unten ablaufen (und wird durch den Gasstrom immer wieder zurückgedrückt)
sondern kann seitlich weglaufen. Dadurch wird die Flüssigkeitsmenge
im Abscheider und damit auch der Mitriss gering gehalten.
- 3. Vermeidung der Flüssigkeitsüberladung
Bei
besonders hohen Flüssigkeitsbeladungen des Rauchgases – z.
B. aufgrund einer räumlich engen Nähe der Suspensionssprühebene – bzw.
bei hohen Geschwindigkeiten des Rauchgases muss eine Sonderbauform
des Rollenabscheiders eingesetzt werden. Das Rohr ist aufgrund seiner
runden Form nicht geeignet ist, große Flüssigkeitsmengen
zu speichern und geschützt abfließen zu lassen.
Die abgeschiedene Flüssigkeit staut sich an den Positionen
3:00 Uhr und 9:00 und verengt den Rauchgasdrucktritt. Es kommt zu
verstärktem Mitriss von Tropfen, die aus dieser Stauzone
herausgerissen werden. Es wird wie bei Patent DE 10 2006 011 185 A1 eine
Schale vorgeschlagen, aber anders als bei Patent DE 10 2006 011 185 A1 um
180 Grad gedreht – also nicht als Rinne sondern als Haube.
In dieser Bauform des Rollenabscheiders wird die halbrunde Form
der Schale genutzt, die Flüssigkeit nach Abscheidung sofort vom
Gasstrom zu trennen (kein Mitriss mehr möglich) und die
abgeschiedene Flüssigkeit seitlich geführt in
der Schale (durch die Neigung des Dachabscheiders) abzuführen.
- 4. Abstand zwischen den beiden Tropfenabscheiderlagen
Die
durch die Lamellen oder Rohre generierten Turbulenzen im Rauchgasstrom
können durchaus negative Effekte haben, indem sie in der
folgenden Stufe bereits abgeschiedene Flüssigkeit wieder
aus der Abscheiderfläche herausreißen und nach
oben abführen (Mitriss). Dies soll durch eine parallele
Konfiguration der beiden Lagen erreicht werden. Die bei Patent DE 10 2006 011 185
A1 vorgeschlagene gegenläufige Konfiguration ist eine
Fehlkonstruktion die das negative Wirken von Turbulenzen ermöglicht.
- 5. Durch eine besondere Hilfskonstruktion wird erreicht, dass
an der Spitze des Dachs keine Verschmutzung ansammelt. Es ist bekannt,
dass an der Spitze des Dachs die Flüssigkeit nicht immer sofort
abläuft sondern durch den gegenläufigen Gasdruck
gehalten oder sogar noch nach oben gedrückt wird. Dadurch
lagern sich an dieser Stelle Feststoffe ab. Durch einen Strömungswiderstand
wird der Gasstrom jedoch abgefangen und diese Aufstauung in der
Spitze vermieden.
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Der
erfindungsgemäße Abscheider besteht aus mindestens
zwei Rohrreihen. Es können aber auch drei oder vier Rohrreihen
sein, wobei in diesem Fall die Schalen und Rohre miteinander kombiniert werden
können. Zum Beispiel können zwei Lagen als Schalen
ausgeführt werden und damit die Funktion übernehmen,
die Masse der Flüssigkeit aus dem Rauchgasstrom herauszuholen.
Die dritte (und vierte) Lage sind dann als Rohre konfiguriert und übernehmen
die Aufgabe die feineren Tropfen aus dem Rauchgas zu filtern.
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Es
können aus Gründen der Druckverlustminimierung
aber auch drei Halbschalen hintereinander gebaut sein. In dieser
Variante überlappen die Halbschalen der ersten und zweiten
Lage immer nur auf einer Seite – nur die dritte Halbschale überlappt
mit zwei Halbschalen – auf der einen Seite mit einer Halbschale
der ersten und auf der anderen Seite mit einer Halbschale der zweiten
Lage. Dadurch wird die für das Rauchgas geöffnete
Durchtritt maximiert. Es können auch vier Halbschalenreihen
gewählt werden.
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- 1
- Tragbalken
- 2
- Querbalken
für Waschrohr
- 3
- Halbschalen
- 4
- Waschrohr
- 5
- Waschdüse
- 6
- Lamellenabscheider
- 7
- Rohrabscheider
- 8
- Strömungswiderstand & Abweiser
- 9
- Strömungsrichtung
des Rauchgases
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Bild
1 zeigt das vertikal angeströmten Abscheidersystem aus
zwei Lagen Tropfenabscheider in diesem Fall auf einer gemeinsamen
Traglage
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Bild
2 zeigt eine zweilagige Halbschalenanordnung
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Bild
3 zeigt den Halbschalenabscheider und nachgelagertem Rohrabscheider-Detailsicht
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Bild
4 zeigt einen dreilagigen Halbschalenabscheider mit geringem Druckverlust
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 20302380
U1 [0014]
- - DE 202005002723 [0014]
- - DE 202005002674 [0014]
- - DE 202005002677 [0014]
- - DE 202008006586 [0014]
- - DE 202008005247 [0014]
- - DE 102006011185 A1 [0019, 0020, 0021, 0022, 0025, 0026, 0027, 0027, 0027]