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Kühler mit indirekter und direkter Kühlstufe Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum indirekten Kühlen von durch Wärmeaustanschflächen geführten Medien,
wobei die Oberflächen der Wärmeaustauschflächen mit einem flüssigen Kühlmittel beaufschlagt
werden, und im Gegenstrom zu dem flüssigen Kühlmittel ein gasförmiges Kühlmittel
gefriert wird, wobei der Wärmeentzug sowohl durch Verdampfung als auch durch erzwungenen
konvektiven Wärmeübergang stattfindet.
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Bei derartigen Kühlern wird die Wärme vom abzukühlenden Medium aus
zunächst Durch die Rohrwandung auf den Flüssigkeitsfilm des herabieselnden flüssigen
Kühlmittels übertragen. Von der Oberfläche des fliissigen Kühlmittels wird die Wärme
von dem vorbeistreichenden gasförmige gen Kühlmittel abgeführt.
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Es sind Kühler bekannt, bei welchen die abzuführende Wärme indirekt
an ein flüssiges Kühlmittel übertragen und mit diesem abgeführt wird.
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Diese Wärmeabfuhr ist mit großem Wasserverbrauch verbunden und erfordert
eine große Wärmeübertragungsfläche.
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Weiterentwicklungen dieses Kühlverfahrens zielen darauf ab, den großen
Verbrauch an flüssigem Kühlmittel zu verringern und sehen eine Rückkühlung des flüssigen
Kühlmittels vor. Die Kühlung mit Rückkühlung des flüssigen Kühlmittels bedingt große
Investitionen.
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Rieselkühler stellen insofern eine Weiterent'icklung dar, als das
flüssige Kühlmittel bereits bei der indirekten Kühlung des zu kühlenden Mediums
teilweise rückgekühlt wird, wobei ein Teil der aufgenommenen Wärme vom flüssigen
Kühlmittel als Verdampfungswärme abgegeben wird. Der Wasserverbrauch ist dennoch
beträchtlich und die Kühlanlagen erfordern große Wärmeaustauschflächen.
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Eine andere Kühlerform stellen die Luftkühler dar, bei denen die Übertragung
der Wärme vom zu kühlenden Medium indirekt auf das vorbeigeführte gasförmige Kühlmittel
erfolgt. Der Wärmeübergang ist bei Luft ungünstig. Das erfordert entsprechend größere
Wärmeaustausc'hflächen> die entsprechend große Alilagen erfordern.
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Verdunstungsküliler sind Kiihler, bei welchem die mittelbar an einen
Flüssigkeitsfilm übertragene Wärme durch Verdampfen und Verdunsten des flüssigen
Kühlmittel abgeführt wird. Die Verdunstung wird durch -über den Film flüssigen Kühlmittels
geführtes gasförmiges Kühlmittel unterstützt. Nachteilig sind hier die mineralischen
Verkrustungen auf den Wärmeaustauschflächen und die schwierige Strömungsführung
für das gasförmige Kühlmittel.
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In der deutschen Auslegeschrift 1 242 649 ist ein Luftkühler beschriebeIl,
der mit angefeuchteter Luft betrieben wird. Die Luft wird vor Eintritt in den Kühler
und vor dem indirekten Wärmeaustausch wassergesättigt um eine bessere Temperaturkonstanz
zu erreichen. Dazu wird Wasser an der Saugseite des Lüfters in den Luftstrom unter
Ausnutzung des dort herrschenden Unterdrucks eingedüst. Diese Ausführungsform bleibt
-ein Luftkühler mit den dafür erforderlichen hohen Investitionskosten, weil der
ungünstige Wärmeübergang der Luft durch die zusätzliche Einrichtung nicht vermieden
wird. Diese Ausgestaltung erfordert zudem weitere Sicherungen für die elektrischen
Anlagen und das Gebläse, die im Sprühbereich
der Düsen angeordnet
sind. Aus diesem Grunde sind Luftkh1er dieser Anordnungafür ätzende und korrodierende
Medien die geküjilt werden sollen, nicht brauchbar, da sie schon bei geringen Undichtigkeiten
zerstört werden.
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Die deutsche Auslegeschrift 1 051 296 beschreibt einen Verdunstungskühler,
bei dem das zu kühlende Medium in einem Rohrsystem geführt wird, das inmindestens
zwei in Reihe geschaltete Elemente unterteilt ist. Jedes Rohrsystem-Element weist
einen eigenen Kreislauf für flüssiges Kühlmittel auf. Das flüssige Kühlmittel wird
als Rieselflüssigkeit im Gegenstrom zur Kühlluft auf jeweils ein Rohrsystem-Element
aufgedüst. Die dampfgesättigte erwärmte Luft wird vor ihrem Ausstoß durch einen
Tropfenabscheider geführt, um mitgerissene Flüs sigkeitströpfchen zurückzuhalten.
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In "Die Kleinkältemaschinen" von Rudolph Plank u. -Johann Kuprianoff
ist ein Verflüssiger mit Verdunstungskühlung beschrieben, bei dem die Kühlflüssigkeit
im Kreislauf durch Zerstäuberdüsen auf die Verflüssiger schlangen verteilt wird
und im Gegenstrom zur durch das Gehäuse gesah guten Luft in den Wassersammler im
Gehäuseboden gelangt und von dort zu den Zerstäuberdüsen zurückgefördert wird. Zum
Abstreifen flüssigen Kühlmittels aus dem Luftstrom ist vor dem Sauglüfter ein Wasserabscheider
angeordnet.
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Diese Ausgestaltungen sind strömungstechnisch ungünstig, weil die
Kühlluft im Sog um die Gaumen, bzw. um die Flüssigkeitssammler, die nahezu den gesamten
Querschnitt des Gehäuses einnehmen, herumgeführt werden muß, sie ist auch aufwendig,
weil die feuchte Luft durch das Gebläse abgesaugt wird und deshalb das Gebläse besonders
gut abgekapselt sein muß, während die gesamte Ävärmeaustauscherfläche als Roh. fläche
aufgebracht werden muß.
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Für die indirekte Kühlung ätzender und korrodierender Medien sind
die..
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se Kühler schlecht geeignet, da meistens in dem gasförmigen Kühlmittel
geringe Mengen der korrodierenden Medien mitgeführt werden und die Gebläse schädigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für große Durchsatzmengen
zu kühlenden Mediums bei großer Kühlleistung mit geringen Investitionskosten auszukommen
und dabei die günstigen Wärmeüb erg'angsverhältniss e von Verdunstungs und Rieselkühlern
so auszunutzen, daß die Wärmeaustauschflächen gering gehalten werden könnens wobei
die Anlage auch für die Kühlung ätzender und korrodierender Medien eingesetzt werden
kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das von den
Wärmeaustaus chflächen herabries elnde flüssige Külilmittel unterhalb der Wärmeaustauschflächen
im direkten Wärmeaustausch mit dem gasförmige gen Küiiimittel rückgekühlt wird,
das rückgekühlte flüssige Kühlmittel zur Beaufschlagung der Oberflächen der Wärmeaustauschflächen
zurückgeführt wird und das gasförmige Kühlmittel, das aus der direkten Kühlung des
flüssigen Külilmittels austritt, im Gegenstrom zu dem flüssigen Kühlmittel über
die Oberfläche der Wärmeaustauschflächen geführt wird.
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Dadurch wird erreicht, daß ein günstiger Wärmeübergang an den Wärmeaustauschflächen
wegen des großen Temperaturgefälles zwischen den Wärmeaustauschflächen und dem gekühlten
flüssigen Kühlmittel stattfindet. Der wesentliche Teil der Verdunstung erfolgt räumlich
von den Wärmeaustauschflächen getrennt und unterhalb derselben. Durch diese Maßnahme
wird die Bildung von Verkrustungen an den Wärmeaustauschflächen weitgehend herabgesetzt.
Durch den besseren Wärmeübergang werden kleinere Baugrößen ermöglicht.
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Das gasförmige Kühlmittel wird im unteren Teil des Kühlers eingeführt.
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Diese Ausgestaltung erlaubt die Zufuhr von Gasen als Kühlmittel unter
schwachem Überdruck. Das hat zur Folge, daß der Kühler beìspielweise nur über Druckluftleitung
und gegebenenfalls Reduzierventil mit einem zentralen Druckerzeuger verbunden ist.
Die seitliche Anordnung der Zufuhr des gasförmigen Kühlmittels am unteren Ende des
Kühlers bringt auch Vorteile für ein fest angeordnetes Gebläse, insbesondere durch
die Anordnung außerhalb des Kühlergehäuses entfallen die üblichen Sondersicherungen
gegen feuchte Atmosphare.
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Der direkte Wärmeaustausch vom flüssigen auf das gasförmige Kühl mit
tel wird vorzugsweise so durchgeführt, daß die direkte Kühlung des flüssigen Kühlmittels
unterhalb der Wärmeaustauschflächen innerhalb einer Füllkörperschicht durchgeführt
wird.
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Die Füllkörper bewirken eine gute Verteilung des flüssigen Kühlmittels
und eine Vergrößerung der Kontaktfiäche mit dem gasförmigen Kühlmittel, wobei beide
Kühlmittel in ihrer Strömungsrichtung und in ihren Geschwindigkeiten eine ständige
Änderung erfahren.
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Eine vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die
Höhe der Füllkörperschicht 5 bis 100 cm, vorzugsweise 20 bis 50 cm, beträgt Dadurch
wird bei Verwendung handelsüblicher Füllkörper von etwa 2 5 bis 5,5 cm Q Zoll bis
2 Zoll) Durchmesser bei geringem Druckabfall für das gasförmige Kühlmittel ein sehr
guter Wärmeaustausch erzielt und eine gleichmäßigere Gasströmung über den Querschnitt
des Kühlers erreicht.
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Eine weitere vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
daß sich die Oberflächen der Füllkörper gegenüber dem wässrigen flüs -sigen Kühlmittel
hydrophil verhalten.
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Diese Auswahl von Füllkörpermaterialien in Abhängigkeit des verwendeten
flüssigen Kühlmittels, insbesondere der Materivalien für die Oherflachen der Füllkörper
ergibt eine Verteilung des flüssigen Kühlmittels in dünne Schichten und Filme und
damit Verbesserung des direkten Wärme austausches mit dem gasförmigen Kühlmittel.
Es gentigt, daß nur die Oberflächen der Füllkörper so ausgebildet sind.
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Eine vorzugsweise Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet,
daß dem gasförmigen Kühlmittel oberhalbder Wärmeaustauscher-Fläche durch Teilentspannung
in einer Abstreifschicht flüssige Anteile entzogen und diese auf die Wärmeaustauscherflächen
zurückgeführt werden.
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Die Abstreiferschicht bewirkt einen geringen Druckabfall imgasförmigen
Kühlmittel, das Niederschlagen der dabei entstehenden Nebel und verZ hindert die
Ausbildung eines sich verjüngenden Strömungsquerseiinittes mit Geschwindigkeits-Spitzen
im Zentrum des Gehäusequerschnitts des gasförmigen Kühlmittels. Damit wird der Verlust
an flüssigem Kühlmittel auf 3 bis 6 % der üblichen Kühlwassermenge eingeschränkt.
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Eine besonders geeignete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht aus einem System von Kühlschlangen für das zu kühlende Medium,
das in einem Kühlgehäuse angeordnet ist, wobei das Kühlgehäuse an seinem unteren
Ende als Auffangwanne ausgebildet ist, einer oberhalb der Auffangwanne und unterhalb
des Kiihlschlangensystems angeordneten Einlaßöffnung gasförmiges Kühlmittel, sowie
Vorrichtungen zum Fördern flüssigen Kühlmittels aus der Auffangwanne zu einer Verteilvorrichtung,
einer Liefervorrichtung für frisches flüssiges
Kühlmittel und ist
dadurch gekennzeichnet, daß in dem. Kühlgehäuse unterhalb der Kühlschlangen und
oberhalb der Einlaßöffnung fiir das gasförmige Kühlmittel eine über den ganzen Querschnitt
des Gehauses sich erstreckende Verteilerschicht angeordnet ist.
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Durch die Anordnung einer Verteilersciiicht oberhalb des Einlasses
für das gasförmige Kühlmittel, die dem direkten Wärmeaustausch des flüssigen mit
dem gasförmigen Kühlmittel dient, entfallen viele Probleme wie Kavitation und Leistungsabfall
bei den benutzten Pumpen für die Förderung des flüssigen Kühlmittels bis zu der
Verteilvorrichtung oberhalb der Wärmeaustaus chflächen.
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Diese Vorzüge sind insbesondere bei der Kühlung ätzender und korrodierender
Medien von Bedeutung, weil eine Leckbildung bei Wärmeaustauschflächen nie ganz ausgeschlossen
werden kann. Diese Möglichkeit und der sich daraus ergebenden Folgen kann durch
entsprechende Auskleidung und Größe der im Fußende des Kühlergehäuses angeordneten
Wanne Rechnung getragen werden.
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Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin,
daß die Verteilerschicht aus Füllkörpern besteht, die auf einem Traggerüst aufgeschüttet
sind.
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Dabei können Fiillkörper handelsüblicher Art und Form, wie Voll-
und Holilkörper oder Gleichdistanzwickelkörper, aber auch Ton-, Keramik-, Porzellan-,
Glas- und/oder Kunststoff-Körper oder -scherben Verwendung finden. Unter bestimmten
Voraussetzungen können aber auch Holzstücke oder -schnitzel verwendet werden. Die
derartigen Füllkörper werden auf einem Traggerüst oder Rost so aufgeschüttet, daß
eine möglichst gleichmäßige Strömungsverteilung des gasförmigen Küh@mittels erreicht
wird.
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Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäRen Vorrichtung besteht
darin, daß die Verteilerschicht aus Einzel elementen besteht, die zc einem durchlässigen
Körper verbunden sind.
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Bei dieser Ausgestaltung können die Einzelkörper in einer günstigen
Anordnung zueinander fixiert sein. Derartige mögliche Anordnungen wären auch Drahtgewirke,
Kunststoffvliese oder auch durchlässige Schaumkörper. Um zu vermeiden, daß sich
das flüssige Kühlmittel an dieser Verteilerschicht staut - sie wirkte dann nur mehr
nach Art eines Sprudelbodens - müssen aber die freien Durchlässe einen entsprechend
großen Querschnitt aufweisen. Im praktischen Einsatz wird den verbundenen Füllkörpern
mit Durchmessern von 25 bis 60 mm der Vorzug vor Drahtgewirken gegeben.
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Allgemein wird das gleiche System sowohl für die Verteilerschicht
wie auch für die Abstreiferschicht verwendet, wobei jedoch der freie Querschnitt
in der Abstreifer schicht geringer sein darf und soll.
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Die Erfindung wird an Iland der' Figuren näher und beispielsweise
erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Kühler
von rechteckigem Grundriß; Fig. 2 einen schematischen Querschnitt des gleichen Killll
ers.
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Das zu kühlende Medium, hier Schwefelsäure, wird durch Leitung 1 in
die Kühlschlangen 2 geleitet und über Leitung 3 gekühlt wieder abgeführt.
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Aus- der Auffangwanne 4 wird Wasser als flüssiges Kühlmittel mittels
der Pumpe 5 durch die Leitung 6 zur Verteileinrichtung gefördert und durch die Düsen
7 versprüht. Als gasförmiges Kühlmittel dient Luft> sie wird durch clen Stutzen
8 unter geringem Überdruck in den Kühler 13 eingeleitet. Die Luft wird vom Lüfter
9 geliefert und Nriidim Gegenstrom zum
herabrieselnden Wasser durch
die aus einer Füllkörperpackung bestehenden Verteilerschicht 10, über das System
der Kühlschlangen 2> durch die Abstreiferschicht 11 geftihrt und in die Atmosphäre
abgestoßen.
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In der Verteilerschicht 10 sind die einzelnen lose auf einem Rost
aufge schütteten Füllkörper mit einem dünnen, sich ständig erneuernden Film heißen
Wassers umgeben. Die' kühlte und trockene Luft strömt, sich ständig erhitzend, von
unten durch. diese Verteilerschicht 10 unter Aufnahme von Wasserdampf und kühlt
dabei das Wasser. Die am oberen Ende der Verteilerschicht 10 austretende, dampfgesättigte
und heiße Luft streicht über die Kühlschlangen 2, die als Wärmeaustauschflächen
ausgebildet sind, wobei bis zur Sättigung weiter Dampf aufgenommen wird. Die er.-hitzte,
Dampf enthaltende Luft strömt durch die Abstreiferschicht 11, in der sich bildende
Wassertröpfchen niedergeschlagen, festgehalten und nach Zusammenziehen. zu größeren
Tropfen auf die Kühlschlangen zurücktropfen. Die dampfgesättigte heiße Luft wird
aus dem Kühler 13 an die Atmosphäre abgestoßen.
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Das aus der Abstreifschicht 11 zurücktropfende Wasser gelangt zusam-Erzen
mit dem durch die Düsen 7 versprühten Kühlwasser auf die, von heißer Säure kontinuierlich
durchströmten Kühlschlangen 2 und bildet auf der Wärmeaustauscherfläche der Kühlschlangen
eine dünne Schicht fließenden Wassers, die ständig Wärme aufnimmt. Dabei verdampft
ein geringer Anteil des herabrieselnden Wassers, während der Hauptteil des Wassers
auf und in die Verteilschicht 10 gelangt und dort im direkten Wärmeaustausch mit
entgegenströmender Luft in dünnen Schichten auf Füllkörpern verdampft, dabei sowohl
dem Wasser als auch den F4U-körpern Wärme entzogen und mit dem heißen Luft-Dampf-Gemisch
abgeführt wird. Das solchermaßen gekühlte Wasser tropft ab. in die Auffangwanne
4.
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Die als Wasserdampf abgeführte Wassermenge, die zwischen 3 bis 6 %
der Umlaufmenge beträgt, wird durch Zugabe von Frischwasser durch Leitung 12 ersetzt.
Daes sich um sehr geringe Mengen frischen Wassers handelt, kann qualitiv sehr gutes
Wasser verwendet w-erden, oder das Wasser wird soweit aufbereitet, daß mineralische
Ansätze und -Verkrustungen auf den Wärmeaustauscherflächen bereits weitgehend vermieden
werden.
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Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung erzielten
Vorteile bestehen darin, daß ein günstigei- Wärmeübergang von den Wärmeaustauscherflächen
des zu kühlenden Mediums zum flüssigen Kühlmittel erzielt wird, weil ein optimales
Temperaturgefälle zwischen den einzelnen Wärmeaustauschpartnern eingehalten wird
und weil durch die Führung dampfgesättigten gasförmigen Kühlmediums über den Film
flüssigen Kühler mittels, der sich auf den Wärmeaustauscherflächen ausbildet, die
geschlossen Oberfläche des Flüssigkeitsfilms nicht durch Verdunstung der-Flüssigkeit
unterbrochen wird und weil durch die Verteiler- und Abstreiferschicht ein gleichmäßiges
Ges chwindi gleitsproÜl des gasförmigen Kühlmediums vermieden wird, daß durch örüichen
Druckaufbau der Flüssigkeitsfilm auf den Wärmeaustauschflächen unterbrochen wird
und so der konvektive Wärmeübergang auf das flüssige Kühlmittel an diesen Stellen
nicht mehr stattfinden kann.
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Die daraus resultierende gleichmäßige Wärmeabfuhr verhindert das Auftreten
von Wärmespannungen in den Wärmeaustauschflächen,ihre Lebensdauer wird somit erhöht.
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Die Fördervorrichtung für das gasförmige Kühlmittel kommt nur mit
frischem Kühlmittel in Berührung. Dadurch entfallen eine Vielzahl von Sicherungen
gegen feuchte Luft, gegebenenfalls auch gegen ät nde und korrodierende Stoffe, die
gekühlt werden sollen und bei denen die Gefahr
eines Leckwerdens
von Wärmeaustauschflächen nicht ausgeschlossen werden kann.
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Das Einführen von gasförmigem Kühlmittel unter Druck in den Kühler
gestattet eine geschlossene Bauweise des Gehäuses 3m unteren Bereich, so daß seine
Betriebssicherheit wesentlich erhöJlt ist und ein hinreichender Umgebungsschutz
gegen austretende Medien gewährleistet ist. PATENTANSPRÜCHE