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Zyklon zum Abscheiden von Feststoffen aus heißen metallchloridhaltigen
Gasen Die Erfindung betrifft einen Zyklon zum Abscheiden von Feststoffen aus heißen
metallchloridhaltigen Gasen, wie sie beispielsweise bei der Herstellung von wasserfreien
Metallchloriden anfallen.
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Es ist bekannt, Metallchloride durch Umsetzen der entsprechenden Metalloxide,
eines Gemisches der entsprechenden Metalloxide und Kohlenstoff oder der entsprechenden
Metallcarbide oder ähnlicher Verbindungen mit Chlor oder chlorhaltigen Gasen herzustellen.
Die Umsetzung erfolgt vorzugsweise in einer Kammer (weiter unten kurz "Chlorierungsreaktor"
genannt), in der ein Festbett oder ein Wirbelbett aus den betreffenden Feststoffen
vom Chlor beziehungsweise dem chlorhaltigen Gas durchströmt wird. Aus dem Chlorierungsreaktor
entweicht ein heißes metallchloridhaltiges Gas, das mitgerissene Feststoffe enthält.
Es wird oft zunächst mindestens teilweise in einem Zyklon diesen Feststoffen befreit,
ehe es abgekühlt wird und das Metallchlorid beziehungsweise die Metallchloride daraus
gewonnen werden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise bei der Herstellung von
Titantetrachlorid üblich.
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Um den Abscheidegrad des Zyklons zu verbessern, wird er gewöhnlich
mit einem Tauchrohr versehen.
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Das aus dem Chlorierungsreaktor entweichende Gas weist sehr hohe Temperaturen
von bis zu 120000 auf und ist infolge seines Gehaltes an Metall chlorid und gegebenenfalls
auch Chlor außerordentlich korrosiv. Besonders das Tauchrohr ist den Angriffen
des
heißen Gases stark ausgesetzt. Aus diesem Grunde besteht es bisher aus keramischem
Material, welches dem Angriff des 0 chloridhaltigen Gases bis 1200 C widersteht.
Ein großer Machteil bei dem bekannten Tauchrohr besteht jedoch darin, daß es mechanisch
nicht stabil ist und nach kurzer Zeit bricht.
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Das Auswechseln des Tauchrohres ist sehr mühsam und kostspielig.
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Es wurde nun ein Zyklon mit Tauchrohr zum Abscheiden von Feststoffen
aus heißen metallchloridhaltigen Gasen gefunden, der die beschriebenen Nachteile
nicht aufweist. Er ist dadurch gekennzeichnet, daß das Tauchrohr doppelwandig aus
Metall ausgeführt ist, wobei der ringkammerförmige Zwischenraum zwischen den Tauchrohrwänden
außer Vorrichtungen zum Zuführen und Abführen eines Kühlmittels ein Metallrohr oder
Leitorgane aus Metallblech zur Führung dieses Kühlmittels enthält, wobei diese Einbauten
derart angeordnet sind, daß der Kühlmittelstroi schraubenförmig und/oder in axialer
Richtung den Zwischenraum in seiner gesamten Ausdehnung durchströmt.
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Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß man bei ausreichender
Kühlung das Tauchrohr ohne weiteres aus Metallen herstellen kann, die normalerweise
bei den hohen Betriebstemperaturen vom metallchloridhaltigen Gas stark angegriffen
werden, zum Beispiel aus Edelstahl oder unlegiertem Stahl. Das Material ist iechanlsch
sehr widerstandsfähig, so daß die Lebensdauer eines hieraus bestehenden Tauchrohres
bedeutend größer ist als diejenige eines Tauchrohres aus keramischem Material.
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Es ist sehr wichtig, daß beim Tauchrohr auch örtliche Uberhitzungen
der Metallwände durch die heißen Gase vermieden werde; treten nämlich an irgendeiner
Stelle der Tauchrohrwände Überhitzungen ein, dann erfolgt dort Korrosion, und das
Tauchrohr ist dann nicht mehr verwendbar und muß ausgewechselt werden.
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Es genügt deshalb nicht, daß das Tauchrohr lediglich mit einer
Zuführung
und einer Abführung für das Kühlmittel versehen wird.
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In diesem Falle würde das Kühlmittel den kuzestmöglichen Weg zwischen
Ein- und Austrittvstelle wählen, so daß ein großer Bereich des Tauchrohres nicht
ausreichend mit Kühlmittel versorgt wird. Deshalb sind im Zwischenraum zwischen
den Tauchrohrwänden ein Rohr oder Leitorgane vorgesehen, die dafür sorgen, daß der
Kühlmittel strom den ganzen Bereich des Tauchrohres durchströmt. Wesentlich ist
ferner, daß das Rohr aus Metall beziehungsweise die Leitorgane aus Metallblech bestehen.
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Die Einbauten sind dadurch leichter in das Tauchrohr einzubauen und,
beispielsweise durch Schweißen, an der Tauchrohrwand zu befestigen als ein Rohr
oder Leitorgane aus einem anderen Material. Ferner wird durch die gute Wärmeleitfähigkeit
des Metalls die gleichmäßige Kühlung des gesamten Tauchrohres gefordert. Ein Metallrohr
oder Leitorgane aus Yetallblech weisen ferner noch einen weiteren entscheidenden
Vorteil auf. Tritt aus irgendeinem Grunde in einem gewissen Bereich der Tauchrohrwand
eine zu hohe Erwärmung des rärieaustauschmediums ein, dann wirken das Rohr beziehungsweise
die Leitorgane als Wärmeaustauschflächen, so daß die Wärme aus diesem kritischen
Bereich über diese Flächen rasch in andere Stellen des Zwischenraumes abgeleitet
wird, wo das Kühlmittel eine niedrigere Temperatur besitzt.
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In den Figuren 1 bis 5 werden geeignete Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Zyklons gezeigt.
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Figur 1 gibt schematisch den Zyklon wieder. Er besteht aus einem zylindrischen
Teil (1) und einem nach unten anschließenden Auffangtrichter (2). Am oberen Ende
des zylindrischen Teils (1) mündet tangential eine Zuführung (3). Oben ist der Zyklon
mit einer Deckplatte (4) verschlossen, die in der Mitte mit einem Abzugsstutzen
(5) versehen ist. In diesem Abzugsstutzen ist ein Tauchrohr (6) eingehängt. Am unteren
Ende des Auffangtrichters (2) befindet sich ein Auslaß (7) für abgeschiedene Feststoffe.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß das Metallrohr am oberen Ende des Tauchrohres beginnend in Form einer dicht
gepackten Wendel von oben nach unten den Zwischenraum zwischen den Tauchrohrwänden
weitgehend ausfüllt und am unteren Ende des Tauchrohres in den Zwischenraum mündet,
wobei der Außendurchmesser der Rohrschlange so bemessen ist, daß die Rohrschlange
beide Tauchrohrwände lose berührt, und daß eine Abfuhrleitung für das Kühlmittel
am oberen Ende des Tauchrohres unmittelbar vom Zwischenraum abzweigt.
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In den Figuren 2 und 3 wird ein entsprechendes Tauchrohr gezeigt;
Figur 3 stellt einen Schnitt durch Figur 2 in der Ebene A-A dar.
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Im Zwischenraum (8) zwischen den Tauchrohrwänden (9) und (10) befindet
sich die Rohrschlange (11). Am oberen Ende der Rohrschlange befindet sich die Zuführung
(12) für das Kühlmittel.
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An der Stelle (13) unmittelbar über einem Ring (14), der als Stirnwand
die Wände (9) und (10) verbindet, mündet die Rohrschlange in den Zwischenraum (8).
Die Rohrschlange (11) liegt lose im Zwischenraum (8) und wird nur durch Stege (15)
unterstützt. Dadurch wird erreicht, daß das Kühlsystem flexibel ist und sich örtlichen
Ausdehnungen anpassen kann.
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Das Kühlmittel tritt bei (12) in die Rohrschlange (11) ein, durchläuft
diese und verläßt sie bei (13). Darauf fließt es im Zwischenraum (8) außerhalb der
Rohrschlange (11) nach oben und verläßt das Tauchrohr durch die Abfuhrleitung (16).
Mit Hilfe des Flansches (17) ist das Tauchrohr im Abzugsstutzen (5) des Zyklons
eingehängt. Zuführung (12) und Abfuhrleitung (16) sind bei dieser beispielhaften
Anordnung im Flansch (17) untergebracht.
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Bei dieser Anordnung besitzt das Kühlmittel, solange es durch die
Rohrschlange strömt, eine relativ niedrige Temperatur und wird von oben nach unten
nur wenig aufgewärmt. Sobald es die Rohrschlange bei (13) verläßt und außerhalb
der Rohrschlange wieder nach oben strömt, tritt eine stärkere Erwärmung infolge
des Wärmeaustausches mit dem heißen Gas über die Tauchrohrwände ein. Es besteht
deshalb stets eine Temperaturdifferenz zwischen dem heißeren Kühlmittelanteil außerhalb
der Rohrschlange und dem kühleren Kühlmittelanteil innerhalb der Rohrschlange. Die
Rohrschlangenwandung dient als Wärmeaustauschfläche zwischen beiden Kühlmittelanteilen.
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Durch die vorgeschlagene Anordung wird im wandnahen Bereich des Zwischenraumes
eine dünne Kühlmittelschicht gebildet; bei zu starkem örtlichen Ansteigen der Temperatur
in dieser Schicht erfolgt eine rasche Wärmeabfuhr aus ihr in das Innere der Rohrschlange;
örtliche Uberhitzungen der Tauchrohrwände werden so wirksam vermieden.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Leitorgane aus Metallblech an einer Stelle eine senkrechte Trennwand bilden
und an den übrigen Stellen des Zwischenraumes aus zahlreichen radial angeordneten
Blechstreifen bestehen, die abwechselnd von oben und von unten so weit bis zur gegenüberliegenden
Stirnwand reichen, daß sie dort Durchtrittsöffnungen für das Kühlmittel freilassen,
und vorzugsweise nur an einer der seitlichen Tauchrohrwände befestigt sind, während
sie die andere lose berühren, wobei am oberen Ende des Tauchrohres in der Nähe der
Trennwand an seiner einen Seite eine Zuführung und an seiner anderen Seite eine
Abfuhrleitung für das gühlmittel angeordnet ist.
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In den Figuren 4 und 5 wird beispielsweise ein Tauchrohr entsprechend
dieser
Ausgestaltung gezeigt; Figur 5 stellt einen Schnitt durch Figur 4 in der Ebene B-B
dar.
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Im Zwischenraum (8) zwischen den Tauchrohrwänden (9) und (10) befindet
sich eine senkrechte Trennwand (18), die den ganzen Längsschnitt des Zwischenraumes
ausfüllt und an der inneren Tauchrohrwand (10) angeschweißt ist. An der einen Seite
der Trennwand befindet sich die Zuführung (12), an der anderen Seite die Abfuhrleitung
(16) für das Kühlmittel, wobei bei dieser beispielsweisen Anordnung beide Rohre
im Flansch (17) untergebracht sind. Im Zwischenraum (8) befinden sich ferner parallel
zur Trennwand (18) Blechstreifen (19) und (20), die an der inneren Tauchrohrwand
(10) angeschweißt sind, wobei die Streifen (19) unmittelbar an der unteren Stirnwand
(14)beginnen, nach oben ragen und oben Durchtrittsöffnungen (21) freilassen, während
die Streifen (20) an der oberen Stirnwand (22) beginnen, nach unten ragen und unten
Durchtrittsöffnungen (23) freilassen. Die Streifen (19) und (20) sind derart angeordnet,
daß jeweils einem Streifen (19) zwei Streifen (20) benachbart sind und umgekehrt.
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Ferner sind der Trennwand (18) zwei Streifen (20) benachbart.
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Durch die Trennwand (18) und die einzelnen Streifen (19) und (20)
werden so Zwischenraumsegmente gebildet, die durch die Durchtrittöffnungen (21)
beziehungsweise (23) miteinander in Verbindung stehen.
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Das Kühlmittel tritt durch die Zuführung (12) in den Zwischenraum
(8) ein, strömt dann in dern Znischenraumsegment zwischen der Trennwand (18) und
dem benachbarten Blechstreifen (20) nach unten, passiert dann die von diesem Blechstreifen
freigelassene Durchtrittsöffnung (23) und strömt von dort aus in dem benachbarten
Zwischenraumsegment zwischen diesem Blechstreifen und dem benachbarten Blechstreifen
(19) nach oben bis zur Durchtrittsöffnung (21), wo er wieder in das nächste Zwischenraumseginent
gelangt und nach unten umgelenkt wird; er durchstreicht
so zickzackförmig
den ganzen Zwischenraum, bis er durch die Abfuhrleitung (16) den Zwischenraum verläßt.
Tritt nun in einem Zwischenraumsegment zwischen zwei Blechstreifen eine zu starke
Erwärmung ein, dann wird die Wärme durch diese Blechstreifen in die anderen Zwischenraumsegmente
abgeleitet.
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Es ist vorteilhaft, daß die Blechstreifen (19) und (20) nur an der
inneren oder äußeren Tauchrohrwand (10) beziehungsweise (9) befestigt sind, während
sie die andere Tauchrohrwand und die jeweilige Stirnwand (14) beziehungsweise (22)
lose berühren.
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Dadurch ist das ganze Kühlsystem flexibel, und es können keine Spannungen
infolge örtlich unterschiedlicher Ausdehnung stattfinden.
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Es ist vorteilhaft, die Tauchrohrwände außen mit einer Schicht aus
einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit zu versehen.
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Diese Schicht bewirkt einerseits, daß die Metalloberfläche durch die
heißen Gase nicht zu hoch erhitzt wird, so daß ein Angriff des Metalls sicher vermieden
wird. Andererseits wird der Wärmeübergang zwischen dem heißen Gas und dem Kühlmittel
erschwert.
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Infolgedessen wird Kühlmittel eingespart.
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Vorteilhafterweise kann die wärmedämmende Schicht auf den Tauchrohrwänden
aus aus den zu verarbeitenden Gasen abgeschiedenen hochsiedenden Chloriden und Staub
bestehen. Zur Herstellung dieser Schicht kann man einfach so verfahren, daß das
unbeschichtete Tauchrohr in den Zyklon eingebaut wird und unter kontrollierten Bedingungen
das aus dem Chlorierungsreaktor stammende metallchloridhaltige Gas durch den Zyklon
geleitet wird; dabei lagern sich an den gekühlten Tauchrohrwänden die hochsiedenden
Chloride und der Staub ab. Sobald die wärmedämmende Schicht eine gewisse Dicke erreicht
hat, kondensieren keine Chloride mehr aus, und der im Zyklon weiterhin abgeschiedene
Staub fällt nach unten in einen
Sammeltrichter. Die gebildete Schicht
ist relativ dünn, so daß keine Störung im Betrieb des Zyklons auftritt.
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Zur Erleichterung dieser Abscheidung ist es von Vorteil, vor dem Einbau
des Tauchrohres in den Zyklon die Tauchrohrwände außen durch Aufspritzungen, Anstriche
oder andere Maßnahmen mit einer rauhen Grundschicht zu versehen . Sie kann beispielsweise
aus Titandioxid bestehen, das zum Beispiel mit Hilfe einer Plasmaflamme aufgetragen
wird.
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Als Kühlmittel für das Tauchrohr können Flüssigkeiten, zum Beispiel
Wasser oder Titantetrachlorid, oder Gase, zum Beispiel Luft, verwendet werden. Bei
der ersten Inbetriebnahme des Tauchrohres ist es gegebenenfalls empfehlenswert,
zunächst durch den Zyklon ein Gasgemisch mit einem geringeren Metallchloridgehalt
hindurchzuleiten, bis sich die wärmeisolierende Schicht auf dem Tauchrohr gebildet
hat. Durch diese Maßnahme soll erreicht werden, daß auf die noch kühle Oberfläche
nur hochsiedende Stoffe niedergeschlagen und keine niedrigsiedende Metallchloride
auf ihr kondensiert werden.
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Danach kann der Metallchloridgehalt des Gases gesteigert werden.
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Brechen aus irgendwelchen Gründen an einer bestimmten Stelle der Tauchrohrwände
kleine Teile der wärmedämmenden Schicht ab, dann tritt infolge der erfindungsgemäßen
Anordnung der Leitflächen keine Überhitzung der Tauchrohrwand an dieser Stelle ein,
und die wärmedämmende Schicht wird schnell neu gebildet.
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Der erfindungsgemäße Zyklon kann zum Abscheiden von Feststoffen aus
heißen metallchloridhaltigen Gasen verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist es,
den erfindungsgemäßen Zyklon zum
Vorreinigen eines Gasgemisches
zu verwenden, das beim Chlorieren eines Gemisches aus einem titanhaltigen und einem
kohlenstoffhaltigen Material entsteht. Durch die Verwendung dieses Zyklons werden
die für die Weiterverarbeitung des Gases benutzten Vorrichtungen entlastet.
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In den folgenden Beispielen wird die Erfindung näher erläutert: Beispiel
1 In einem Zyklon mit einer Höhe des zylindrischen Teiles (1) von 100 cm und einem
Durchmesser von 150 cm wurde ein Tauchrohr (6) eingebaut, das eine Länge von 150
cm und einen inneren Durchmesser von 50 cm aufwies und gemäß den Figuren 2 und 3
gebaut war. Die Wände (9) und (10) bestanden aus 4 mm starkem V4A-Stahl und hatten
einen lichten Abstand von 3,5 cm.
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4 Im Zwischenraum (8) befand sich eine Rohrschlange (11) aus Stahlrohr
mit einem äußeren Durchmesser von 33,7 mm und einer Wandstärke von 2,6 mm mit 24
Windungen, die nach jeweils drei Windungen durch Stege (15) unterstützt wurde. Vor
dem Einsetzen des Tauchrohres wurden seine Außenwände mit Hilfe einer Plasmaflamme
mit einer rauhen etwa 0,3 mm dicken Titandioxidschicht versehen.
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Als Kühlmittel wurden 4,0 m3/h Titantetrachlorid mit einer Eintrittstemperatur
von etwa -50C durch das Kühlsystem des Tauchrohres hindurchgeschickt.
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Zunächst wurden durch den Zyklon etwa 1500 Nm3/h eines aus einem Chlorierungsreaktor
stammenden Gasgemisches mit einer 0 Eintrittstemperatur von 940 C geleitet, das
neben etwas Eisenchlorid und Chromchlorid nur etwa 5 Volumprozent Titantetrachlorid
enthielt; dabei wurde eine Kondensation von Titantetrachlorid am noch nicht belegten
Tauchrohr vermieden.
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Es bildete sich aus den Eisenchlorid- und Chromchloridanteilen zusammen
mit mitgerissenem Staub eine wärmedämmende Schicht auf den Tauchrohrwänden.
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Nach 8 Stunden wurde der Titantetrachloridgehalt im Gasgemisch auf
22 Volumprozent gesteigert. Nach anfänglichen Schwankungen der Temperaturdifferenz
des zur Kühlung verwendeten Titantetrachloridszwischen der Zuführung (12) und der
Ab-0 fuhrleitung (16) im Bereich von 50 bis 100 C stellte sich nach 12 Tagen ein
Gleichgewicht von etwa 27-300C ein. Der Druckverlust betrug etwa 30 mm Wassersäule.
Im Zyklon wurden 150 kg/h Feststoffe abgeschieden und durch den Auslaß (7) entfernt.
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Nachdem die Vorrichtung 31 Tage lang ohne Störungen in Betrieb war,
wurde der Versuch abgebrochen und das Tauchrohr ausgebaut. Es wies einen 2-3 cm
dicken Belag aus kohlenstoffhaltigen Bestandteilen und schwerflüchtigen Chloriden
auf.
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Die Oberfläche des Tauchrohres einschließlich der aufgebrachten Titandioxid-Grundschicht
war einwandfrei, wie nach dem Abwaschen des Belages festgestellt werden konnte.
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Wurde anstatt des erfindungsgemäßen Zyklons ein Zyklon mit einem Tauchrohr
aus keramischem Material aus Aluminiumsilicat eingesetzt, dann war kein länger dauernder
Betrieb möglich, da nach kurzer Zeit das Tauchrohr abbrach.
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Beispiel 2 Dieselbe Kühlwirkung wird in einem Tauchrohr erreicht,
das dieselben Maße wie das im Beispiel 1 beschriebene Tauchrohr aufweist und lediglich
im Unterschied zu diesem Tauchrohr Leitorgane gemäß den Figuren 4 und 5 besitzt.An
der inneren Tauchrohrwand (10) sind 63 Blechstreifen (18), (19), (20) aus 2 mm starkem
Stahl mit einem gegenseitigen Abstand von 25 mm angeschweißt. Dabei weisen die Durchtrittsöffnungen
(21) und (23)*wischen den einzelnen Zwischenraumseginenten eine Höhe von 30 nm auf,