DE202015005637U1 - Quench-Kühler zur Aufheizung von Wasser - Google Patents

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Abstract

Quench-Kühler zur Erwärmung von Wasser, der aus einem Behälter mit einer Wasservorlage besteht, dadurch gekennzeichnet, dass Rohrleitungsmittel (3, 4) zur Zu- und Ableitung von Wasser vorgesehen sind, Rohrleitungsmittel für eine Zuleitung (5) der Prozessgase, für die Ableitung (6) der behandelten Gase und ein Rohrboden (7) in der Wasservorlage (2) zur fließbettähnlichen Verteilung der Gase vorgesehen sind, und der Behälter (1) so hoch ist, dass eine Trennung der flüssigen und gasförmigen Medien in einem Freiraum (11) oberhalb der Wasservorlage (2) gegeben ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Quench-Kühler zur Aufheizung von Wasser, gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1.
  • Die Quenche, eine Vermischung von heißen Gasen mit Flüssigkeiten, nach dem Gleichstromprinzip und das Erreichen von einem gesättigten Zustand in gekühlten, mit Wasserdampf befeuchteten Gasen kommt im Anlagenbau bei der Behandlung und der Wäsche von Abgasen, der Wäsche von Rauchasen aus Feuerungen und Müllverbrennungen zur Anwendung. Dabei ist die Verteilung von Wasser und die Beladung der Gase bis 20 Liter Wasser, H2O pro m3 mit einem hohen Aufwand und Verbrauch von el. Energie verbunden. Es kommt hinzu, dass die Flüssigkeit wieder nach der Quenche von den Gasen zu trennen ist.
  • Weiter ergibt sich mit der Verfahrensführung nach dem Gleichstromprinzip bei gleichbleibendem Druck nahe dem Umgebungsdruck (10000 mmWS) und der vertikalen Strömung der Abgase bei Geschwindigkeiten von 10 bis 15 m/sec eine hohe Bauhöhe, damit die Reaktionszeit zum Befeuchten der Gase eingehalten wird, um eine gleichmäßige Verteilung und Befeuchtung der Gase unter adiabaten Bedingungen zu ermöglichen und dass die Flüssigkeit beim Erreichen des Bodens abgetrennt und für die erneute Aufgabe über eine Pumpe gesammelt wird. Ein weiterer Nachteil besteht in den Subsystemen für das Handling von Wasser, den Pumpen und der Verteilung unter Druck, dass dieser technische Aufwand einer Quenche im Zusammenhang mit der Behandlung von Abgasen aus kleineren Anlagen und Anlagen in Gebäuden schwer realisierbar ist.
  • Die Erfindung befasst sich mit der Quenche von Abgasen von Geräten, der Sättigung von heißen Gasen durch Vermischen von Gasen und Flüssigkeiten als Quenche, der Nutzung der Wärme von Abgasen und mit der Gewinnung von Energie aus Abwärmen, die als Energie in gasförmigen Medien vorhanden ist und mit der Erzeugung von erwärmten Wasser unter atmosphärischen Bedingungen (+/–0 mmWS) aus Prozessgasen in der Quenche, damit die Energie in Prozessgasen einer Nutzung zugeführt wird. Weiter soll die Quenche bei industriellen und kleineren Anlagen sowie Teilströmen von Anlagen erleichtert wird.
  • Ein Prüfverfahren und Prüfmittel zur Diagnose von konvektiver Verdampfung von Feuchte ist von der Druckschrift DE 10 2009 042 554 bekannt geworden, nach welchem die Trocknungsgase in einer Probe nach dem Prinzip einer Quenche behandelt werden. Wobei in dem Prüfverfahren eine Beprobung von dampfhaltigen Trocknungsgasen bei adiabater Kühlung vorgesehen ist.
  • Der Nachteil der adiabaten Behandlung besteht darin, dass die Nutzung von Abwärme nicht möglich ist.
  • Ein Quench-Kühler zum Kühlen eines heißen strömenden Gases ist von der Druckschrift EP 0779 487 B1 bekannt geworden, in welchem eine Füllkörperkolonne und Mittel zum Einspritzen von Wasser vorgesehen sind, damit die Gase nach der Verdichterstufe einer Gasturbine gekühlt werden. Der hier beschriebene Quench-Kühler arbeitet unter Druck (35 bar) und ermöglicht eine adiabate Kühlung der Prozessgase.
  • Eine Wasser-Quenche von einem unter Druck stehenden, strömenden Gas ist von der Druckschrift DE 199 30 051 C2 bekannt geworden, nach welchem mit einer Hochdruckpumpe das Quench-Wasser von einem Druckspeicher unter Zuordnung von Einspritzmitteln dosiert aufgegeben wird.
  • Nachteil ist, dass eine Wärmegewinnung von den heißen Prozessgasen nicht möglich ist.
  • Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, in der bei Umgebungsdruck nach dem Prinzip der Quenche und bei einem guten Wärme- und Stoffaustausch zwischen den flüssigen und gasförmigen Medien sowie bei kleinerer Bauhöhe die Gewinnung von Energie aus Abwärmen durch Erwärmung von Wasser möglich ist.
  • Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind durch die in den Ansprüchen 2–10 aufgeführten Merkmale beschrieben.
  • Dementsprechend zeichnet sich ein Quench-Kühler zur Erwärmung von Wasser, der aus einem Behälter mit einer Wasservorlage besteht, dadurch aus, dass Rohrleitungsmittel zur Zu- und Ableitung von Wasser vorgesehen sind, Rohrleitungsmittel für eine Zuleitung der Prozessgase, für die Ableitung der behandelten Gase und ein Rohrboden in der Wasservorlage zur fließbettähnlichen Verteilung der Gase vorgesehen sind, und der Behälter so hoch ist, dass eine Trennung der flüssigen und gasförmigen Medien in einem Freiraum oberhalb der Wasservorlage gegeben ist und insbesondere ein Platzhalter für ein Energiezählwerk (kWhtherm.) in der Rohrleitung für Wasser vorgesehen ist.
  • Wesentlicher Vorteil ist, dass eine Trennung der flüssigen und gasförmigen Medien in einem Freiraum oberhalb der Wasservorlage gegeben ist. Weiterer Vorteil, dass die mit dem erwärmten Wasser von dem Prozessgas gewonnene Energie (kWh) in einem Energiezählwerk als kWhtherm messbar ist. Weiterer Vorteil, dass das Energiezählwerk on-line die erzeugte Energie ausweist.
  • Wesentliches Merkmal der Erfindung ist der Quench-Kühler zur Erwärmung von Wasser, der aus einem Behälter mit einer Wasservorlage besteht. Vorteil ist: „Es reicht aus, dass eine Vorlage an Wasser vorhanden ist.” Wesentlicher Vorteil ist die Verfahrensführung in der Weise, dass der Wärme- und Stoffaustausch mit der flüssigen Vorlage nach dem Kreuzstromprinzip ausführbar ist.
  • Vorteil ist, dass die Vorlage für das zuströmende Prozessgas immer vorhanden ist.
  • Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist mit dem Quench-Kühler zur Erwärmung von Wasser dadurch gegeben, dass Rohrleitungsmittel zur Zu- und Ableitung von Wasser vorgesehen sind. Vorteil ist, dass das Betriebsmittel Wasser über Rohrleitungsmittel zugeführt und abgeführt wird. Weiterer Vorteil, eine kontrollierte, reproduzierbare Prozessführung zu und von dem Quench-Kühler.
  • Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist dadurch gegeben, dass Rohrleitungsmittel für eine Zuleitung der Prozessgase, für die Ableitung der behandelten Gase und ein Rohrboden in der Wasservorlage zur fließbettähnlichen Verteilung der Gase vorgesehen sind. Vorteil ist, dass die Prozessgase am Eintritt aus Rohrleitungen in dem Wasser fließbettähnlich verteilt werden und nach dem Wärmeaustausch und der Trennung des Wassers über eine Rohrleitung abgeleitet werden.
  • Wesentlicher Vorteil ist, dass ein Rohrboden in der Wasservorlage vorgesehen ist. Vorteil ist, dass mittels der Rohranordnung das Abgas nach dem Kreuzstromprinzip verteilbar ist. Weiterer Vorteil, dass die Strömungsrichtung der Gase durch die Rohrleitungsmittel für Abgas vorgegeben ist. Vorteil, dass behandelte Gase stromabwärts zu dem Eintritt der Rohrleitung strömen.
  • Vorteil ist die reproduzierbare Strömung.
  • Wesentlicher Vorteil ist das Zusammenwirkung der Führung des gasförmigen und flüssigen Medien, dass Prozessgase in die Flüssigkeit eintreten, die hohen Austauschraten zur Ableitung von Wärme nutzbar sind und gewonnene Energie mit der Flüssigkeit ableitbar und messbar ist und das behandelte Gas nach Oben abgezogen wird. Wichtig ist, dass das Kreuzstromprinzip verwirklicht ist.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gegeben, dass ein Platzhalter für ein Energiezählwerk in der Rohrleitung für Wasser vorgesehen ist. Vorteil ist, dass die Zählung des Energiegewinns (kWhtherm.) vorgesehen ist. Wesentlicher Vorteil, dass das Zählwerk nach dem Spülen der Rohrleitungen einsetzbar ist. Vorteil ist die Präzision des Anzeigewertes.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gegeben, dass die Wasseraufgabe über ein Ventil, welches von der Temperatur abhängt, vorgesehen ist. Vorteil ist, dass Wasser nachströmt, wenn im Behälter ein Sollwert der Temperatur diagnostiziert wird. Weiterer Vorteil ist die sparsame Verwendung von Wasser; weiterer Vorteil, der drucklose Zustrom des Wassers.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, dass der Freiraum nach oben, mindestens mit der 1,5 fachen Höhe der fluidisierten Schicht, vorzugsweise mit der 2,5 fachen Höhe der fluidisierten Schicht bei Atmosphären-Druck bemessen ist. Vorteil ist, dass durch die Höhe des Freiraumes eine bestimmte Verweilzeit der behandelten Abgase realisiert wird. Weiterer Vorteil, die Planbarkeit der Verweilzeit zur Abtrennung der Flüssigkeiten.
  • Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gegeben, dass eine Austrittsöffnung für erwärmtes Wasser auf der Höhe der Schicht vorgesehen ist. Vorteil ist, dass als Austrittöffnung für erwärmtes Wasser die Eintrittsöffnung einer Rohrleitung vorgesehen ist. Weiterer Vorteil: die Reproduzierbarkeit der Schichthöhe.
  • Es ist nämlich so, dass der Druckverlust zur Durchströmung der Wasservorlage von dem Wasserinhalt und der Schichthöhe abhängig ist. Einfach ausgedrückt, erfordern 50 mm unbelüftete Schichthöhe an Wasser eine Ventilatorpressung von 50 mmWS oder 500 Pa. Und bei einem Ausdehnungsfaktor von 100% reduzieren sich die Strömungsverluste auf 25 mmWS oder 250 Pa, vorausgesetzt der Überlauf ist auf gleicher Höhe nämlich auf 50 mm. Wesentlicher Vorteil: eine gleichbleibende Energiezufuhr mit einem konstanten Prozessgas.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gegeben, dass Ausström-Öffnungen für Prozessgas verteilt auf der Unterseite in dem Rohrboden vorgesehen sind. Vorteilhaft ist eine Verteilung des Gases über Öffnungen in den Rohren vorgesehen. Weiterer Vorteil, dass der Gasstrom nach unten gerichtet ist. Wesentlicher Vorteil, die Unterteilung des Behälters in den Arbeitsbereich mit Gasen und Flüssigkeiten nach dem Kreuzstromprinzip und den Freiraum mit dem behandelten Gas.
  • Vorteil ist die Ausnutzung der Bauhöhe des Behälters.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, dass die Summe der Öffnungen im Prozentbereich von 1% bis 4% der Behälterfläche, vorzugsweise mit 2% vorgesehen ist. Vorteil ist, dass nach dem Prinzip von Bernoulli in einem Gasvolumen m3/sec (F – m2 × w – m/sec) bei einer kleineren Gesamtfläche F (m2) eine höhere Geschwindigkeit w (m/sec) ausgebildet ist. Wesentlicher Vorteil ist die Ausbildung von 2 Geschwindigkeiten in dem Behälter. Bei einer Lehrrohrgeschwindigkeit im Freiraum von 1 m/s ist bei 2% offener Fläche eine 50-fach höhere Geschwindigkeit im Rohrboden gegeben. Vorteil ist die Planbarkeit der Durchmischung von Vorlage und Prozessgas.
  • Ein wesentlicher Vorteil des austretenden Strahles besteht darin, dass er von der hohen Geschwindigkeit auf null verzögert wird und ein Staudruck ausgebildet wird. Vorteil ist, dass der Druckwert zum Aufbau eines Druckgefälles in der fluidisierten Vorlage genutzt wird. Vorteil ist das Zusammenwirken der Vermischung und des Druckaufbaues durch die freie Fläche im Rohrboden.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, dass eine Energieumwandlung von der Strömungsenergie des austretenden Prozessgas in eine als Staudruck wirksame Energie im Rohrboden vorgesehen ist. Vorteil ist, dass der Strahl gegen den Behälterboden gerichtet ist. Vorteil ist der Druckaufbau über dem Boden. Vorteil ist ein geringes Druckgefälle im Quench-Kühler.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, dass ein Ventilator an dem Behälter vorgesehen ist. Vorteil ist, dass der Ventilator das Druckgefälle aufbaut und die Wärmeleistung zuführt. Weiterer Vorteil: das Stilllegen der Wärmeleistung durch ein Relais, einen elektrischen Schalter, in der Stromzufuhr.
  • Wesentlicher Vorteil ist, dass die Förderung unterbunden ist, der Austritt von Gasen aus dem Quench-Kühler verhindert ist oder die Förderung eingeschaltet wird.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Quench-Kühler ist dadurch gegeben, dass eine variable Schichthöhe zur Einstellung der Wärmeaufgabe (kW) vorgesehen ist. Vorteil ist, dass die Wärmeleistung des Quench-Kühler über die Schichthöhe unter atmosphärischem Druck einstellbar ist: „Weniger Schicht-Höhe bedingt einen höheren Gasdurchsatz”. Weiter erfordert eine höhere Schicht einen höheren Freiraum.
  • Weitere Vorteile des Quench-Kühlers sind als Ausführungsbeispiel dargestellt und werden anhand der 1 erläutert. Es zeigen: 1 einen Quench-Kühler für atmosphärische Bedingungen.
  • In 1 ist ein Quensch-Kühler zur Erwärmung von Wasser mit einem Behälter und einer Wasservorlage schematisch dargestellt, welcher aus dem Behälter 1, einer Wasservorlage 2, einer Rohrleitung 3 zur Aufgabe von Wasser, einer Rohrleitung 4 zur Ableitung von erwärmten Wasser, Rohrleitungsmitteln 5 für eine Zuleitung der Prozessgase und einer Rohrleitung 6 für behandelte Gase, einem Rohrboden 7 in der Wasservorlage 2, einer Austrittsöffnung 8 auf der Höhe der fluidisierten Schicht aus Gasen und Flüssigkeit, mit einem Temperatursensor 9 in dem erwärmten Wasser und mit einem Auslaufrohr 10 so ausgebildet ist, dass bei einer Zufuhr und Eintritt der Prozessgase in die Wasservorlage mit hoher Geschwindigkeit eine Vermischung der flüssigen und gasförmigen Medien zu einer Wirbelschicht bei einer Veränderung der Schichthöhe auf das Niveau 8 gegeben ist und nach dem Austritt der behandelten Gase aus der Schicht im Freiraum 11 über der Schicht eine Abtrennung der Flüssigkeit von den Gasen bis zum Eintritt in die Rohrleitung 6 gegeben ist. Weiter ist in 1 mit dem Flüssigkeitsweg von der Rohrleitung 3 zu dem Austritt 8 und der Strömung der Gase von der Rohrleitung des Rohrbodens 7 nach Oben zu der Rohrleitung 6, das Prinzip eines Kreuzstromes aufgezeigt, wobei die Prozessgase zunächst von Oben nach Unten und nach der Umkehr entgegengesetzt von Unten nach Oben auf die flüssige Vorlage treffen. Vorteil ist die Umkehr der Strömung, der gute Wärme- und Stoffaustausch sowie der Unterschied der Geschwindigkeiten im Bereich von 40 m/sec und die Verzögerung von 144 km/h nach der Umkehr auf einen Wert um 1 m/sec oder 3,6 km/h.
  • Weiter ist in 1 die Wasserstrecke beim Durchströmen des Quench-Kühler 1 schematisch dargestellt, die beginnend mit der Ruhrleitung 3, aus einem Platzhalter 12 für ein einsetzbares Energiezählwerk 14, einem Magnetventil 13, welches von einem Temperaturwert des Sensor 9 abhängig ist, einem Austritt von der Rohrleitung 3 in die Wasservorlage 2 und einem Überlauf in die Rohrleitung 10 am Ende des Quench-Kühlers 1 in der Weise aufgebaut ist, dass die Zufuhr von Wasser dann freigegeben ist, wenn ein Temperaturwert örtlich in dem abfließenden Wasser erreicht ist und dieser Temperaturwert auf das Energiezählwerk 14 geführt ist und die gewonnene Energie in dem Zählwerk proportional der Temperaturerhöhung und dem Durchsatz als Energie kWhtherm anzeigt wird. Die Regelung des Wasserzulaufes ist im vorliegenden Fall des atmosphärischen, drucklosen Betriebs mit der Funktion des Magnetventiles 13 beschrieben. Weiter sind andere Systeme im Wasserzufluss möglich, die im Einzelnen nicht aufgeführt sind. Wichtig ist, dass der Wasserfluss freigegeben ist, wenn eine bestimmte Temperatur erreicht wird, damit die Vorteile des Quench-Kühlers erreicht werden. Wesentlicher Vorteil ist, dass eine nutzbare Wärme gewonnen wird.
  • Weitere Vorteil sind die thermischen Eigenschaften der Wirbelschicht. Das sind geringer Druckverlust, guter Wärmetransport durch die Wärmeleitfähigkeit λ der Schicht und gleichmäßige Temperaturverteilung sowie der Energieerhalt bei der Energieumwandlung von der Strömungsenergie in einen Druckwert.
  • Weiter ist im Detail A in 1 der Rohrboden mit Ausströmöffnungen 16 für Prozessgase, eingetaucht in die Wasservorlage 2 dargestellt, wobei austretende Gase sich mit der Vorlage mischen und in der Mischung die Vorlage sich auf das Volumen mit der Höhe des Eintrittes 8 ausdehnt, dass in Verbindung mit der Kennlinie des Ventilators 15 bei einer Erhöhung der Eintrittsöffnung 8 in der Rohrleitung 4 und dem Anstieg des Druckverlustes die Ventilator-Leistung (m3/min.) zurückgeht und weniger Energie dem Quench-Kühler als Prozessgase zugeführt wird.
  • Weitere Vorteile sind,
    • – die Rechteckform der Grundfläche,
    • – das Verhältnis Länge zur Breite,
    • – die Verwendung von Kunststoff, PPs für den Behälter und HT-Rohre nach DIN 4102 B2 (schwer entflammbar).
  • Wesentlicher Vorteil ist die Bestimmung der Einsparung kWhtherm gegenüber dem zusätzlichen Verbrauch des Ventilators kWhel.
  • Vorteil ist die Präzision der Anzeigewerte; weiterer Vorteil, die Anzeige eines netto Energie-Gewinns von Abwärmen. Wesentlicher Vorteil ist, dass der Gewinn aus der Nutzung der Abwärmen, demnach ohne Verluste, und der tatsächliche Gewinn entsprechend den Verlusten bei der Verwendung von Primärenergie erhöht ist: Bei einem Dampfkessel Wirkungsgrad von 60% ist die Erhöhung + 66% (Gesamt-Gewinn = 1/0,6 × 100).
  • Vorteil ist die Substitution von Primärenergie und der Energiegewinn, erhöht um Verluste von 66%, die bei der Energieumwandlung vorhanden sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Behälter
    2
    Wasservorlage
    3
    Rohrleitung
    4
    Rohrleitung
    5
    Rohrleitungsmittel
    6
    Rohrleitung
    7
    Rohrboden
    8
    Öffnung, Austrittsöffnung
    9
    Temperatursensor
    10
    Rohrleitung
    11
    Freiraum
    12
    Platzhalter
    13
    Ventil, Magnetventil
    14
    Zählwerk für Energie
    15
    Ventilator
    16
    Öffnung, Ausström-öffnung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009042554 [0005]
    • EP 0779487 B1 [0007]
    • DE 19930051 C2 [0008]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN 4102 B2 [0039]

Claims (10)

  1. Quench-Kühler zur Erwärmung von Wasser, der aus einem Behälter mit einer Wasservorlage besteht, dadurch gekennzeichnet, dass Rohrleitungsmittel (3, 4) zur Zu- und Ableitung von Wasser vorgesehen sind, Rohrleitungsmittel für eine Zuleitung (5) der Prozessgase, für die Ableitung (6) der behandelten Gase und ein Rohrboden (7) in der Wasservorlage (2) zur fließbettähnlichen Verteilung der Gase vorgesehen sind, und der Behälter (1) so hoch ist, dass eine Trennung der flüssigen und gasförmigen Medien in einem Freiraum (11) oberhalb der Wasservorlage (2) gegeben ist.
  2. Quench-Kühler nach dem vorstehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Platzhalter (12) für ein Energiezählwerk (14) (kWhtherm.) in der Rohrleitung (3) für Wasser vorgesehen ist.
  3. Quench-Kühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasseraufgabe, über ein Ventil (13), welches von der Temperatur abhängig ist, vorgesehen ist.
  4. Quench-Kühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiraum nach oben, mindestens mit der 1,5 fachen Höhe der fluidisierten Schicht, vorzugsweise mit der 2,5 fachen Höhe der Schicht bemessen ist.
  5. Quenchkühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Austrittsöffnung (8) für erwärmtes Wasser auf der Höhe der Schicht vorgesehen ist.
  6. Quench-Kühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ausström-Öffnungen (16) für Prozessgas verteilt auf der Unterseite in dem Rohrboden (7) vorgesehen sind.
  7. Quench-Kühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Öffnungen (16) im Prozentbereich von 1% bis 5% der Behälterfläche, vorzugsweise mit 2% vorgesehen ist.
  8. Quench-Kühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energieumwandlung von der Strömungsenergie des austretenden Prozessgas in eine als Staudruck wirksame Energie im Rohrboden (7) vorgesehen ist.
  9. Quench-Kühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilator (15) vorgesehen ist.
  10. Quench-Kühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine variable Schichthöhe zur Einstellung der Wärmeaufgabe (kW) vorgesehen ist.
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