DE2638990A1

DE2638990A1 - Waermeaustauschplatte fuer schachtofenwaende

Info

Publication number: DE2638990A1
Application number: DE19762638990
Authority: DE
Inventors: Patrick Dhelft
Original assignee: Sofresid SA
Current assignee: Sofresid SA
Priority date: 1975-09-03
Filing date: 1976-08-30
Publication date: 1977-03-17
Also published as: GB1554779A; GB1554780A; JPS5274503A; FR2323113B1; US4033561A; DE2638990C3; FR2323113A1; DE2660373B1; DE2638990B2; DE2660373C3

Description

PATK NTANWÄLT B

DIPL -CHEM. DR. KLAUS JAEGER DlPL.-ING. KLAUS D. GRAMS DR.-ING. HANS H. PONTANI

GRÄFELFING · ARIBOSTR. 47 8031 STOCKDORF · KREUZWEG 34 8752 KLEINOSTHEIM · HIRSCHPFAD 3

SOF-1

SOFRESID SOCIETE FRANgAISE D¹ETUDE D'INSTALLATIONS SIDERÜRGIQUES,

59, rue de la Republique, F-*93108 Montreuil-sous-Bois

Wärmeaustauschplatte für Schachtofenwände

Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauschplatte der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Insbesondere ist die Erfindung mit dem Kühlen von Schachtofenwänden befasst, und zwar speziell mit dem Kühlen der feuerfesten Wände von Hochöfen.

Bei den klassischen Hochöfen sind Schacht und Rast mit Kühlkammern oder Kühlmittelströmungskanälen ausgerüstet. Die Kühlkammern dienen sowohl der Kühlung als auch gleichzeitig der Absteifung des Mauerwerkes. In der Rast, wo die Stabilität des feuerfesten Materials gewährleistet ist, würde es im Hinblick auf die mechanische Festigkeit ausreichen, die Rastwände lediglich mit Kühlschlangen zu versehen. Die gegenüber solchen Kühlkanälen in der Wirkung vergleichbaren Kühlkammern weisen jedoch auch in der Rast

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Vorteile auf. Insbesondere verlängern sie die Standzeit des feuerfesten Materials. Bei der Verwendung von Kühlkammern treten jedoch auch Nachteile auf. So unterliegen ihre auf den Ofen bezogen radial innenliegenden Wände und Randbereiche, die normalerweise vollständig im feuerfesten Wandmaterial eingebettet sind, durch den raschen Verschleiss des feuerfesten Wandmaterials unter der Einwirkung der abwärts wandernden Beschickung und der aufwärts steigenden heissen und staubführenden Gase ebenfalls rasch einem starken Verschleiss. Dies führt dazu, dass in der Praxis die Kühlkammern fast ständig ausgetauscht werden müssen.

Zur wirksameren Kühlung der Rast und der unteren Bereiche des Schachtes sind auch Doppelwand-Kühlwassersysteme im Einsatz. Statt der punktuellen Kühlung, wie sie mit den Kühlkammern erzielt wird, wird bei der Kühlung in Hohlwänden die gesamte Oberfläche des feuerfesten Wandmaterials gleichmässig gekühlt. Auch diese Flächenkühlung hat sich jedoch in der Praxis nicht bewährt. Auch sind kombinierte Kühlsysteme eingesetzt worden, bei denen sowohl gekühlte Doppelwände als auch Kühlkammern kombiniert miteinander eingesetzt wurden. Bei solchen Systemen treten jedoch durch den dabei erhaltenen Wärmefluss unerwünschte Spannungen in den Eisenteilen der Anlage auf.

Zur Lösung dieser Probleme ist der Fachmann daher bemüht, einerseits zwar eine Innenkühlung vorzusehen, diese aber so homogen wie möglich zu verteilen. Zu diesem Zweck ist ein Kühlaggregat für die Innenkühlung der Wände bekannt, das aus einer Gusseisenplatte besteht, in die Wasserkühlrohre aus Stahl eingearbeitet sind. Solche Kühlplatten weisen jedoch vor allem den Nachteil auf, dass sie sich beim Erwärmen verformen, insbesondere krümmen. Durch diese Krümmung der Kühlplatten wird nicht nur das feuerfeste Mauerwerk bzw. die Wandauskleidung verformt, sondern wird

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auch der Wirkungsgrad der Kühlung durch eine Herabsetzung des Wärmeüberganges vermindert, da die Berührungsfläche zwischen der Kühlplatte und der zu kühlenden Wand verkleinert wird. Die bekannte Wärmeaustauschplatte für die Kühlung von Schachtofenwänden hat daher in der Praxis bislang noch nicht zum gewünschten Erfolg geführt.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeaustauschplatte, insbesondere eine Kühlplatte zu schaffen, die im wesentlichen senkrecht zum abzuleitenden Wärmefluss ausgerichtet ist, sich nicht verwirft oder verspannt, eine möglichst homogene Flächenkühlung ermöglicht und gleichzeitig so ausgebildet ist, dass sie mit identischen Austauschplatten so nebeneinanderstellbar ist, dass der grösste Teil der Emissionsoberfläche durch solche Wärmeaustauschplatten bedeckt werden kann. Die Wärmeaustauschplatte soll sowohl einzeln als auch in Kombination mit anderen identischen Platten auch in Verbindung mit den an sich bekannten Kühlkammern verwendbar sein, daß die abstrahlende und zu kühlende Wand nicht nur möglichst gleichmässig und vollständig bedeckt und gekühlt werden kann, sondern dass die Wand aus dem feuerfesten Material gleichzeitig auch eine zuverlässige Abstützung erfährt. Die Wärmeaustauschplatte soll weiterhin für den Durchfluss eines Wärmeträgerfluids, beispielsweise für einen Wasserdurchfluss in der Weise ausgelegt sein, dass die Wärmeaustauschkapazität der Platte grosser als die maximale Emissionsleistung ist, so dass die Wärmespannungen im eingesetzten Werkstoff nicht grosser als bei normalem Betrieb sind. Die Erfindung soll schliesslich eine Wärmeaustauschplatte schaffen, die eine einfache Stahlkonstruktion ist. Diese Platte soll bei der Herstellung automatisch verschweissbar sein, eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen und für die Standzeit des Ofenmaterials zwischen das zu kühlende feuerfeste Wandmaterial und die Schutz-

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verkleidung des Ofenschachtes, speziell des Hochofenschachtes, einfügbar sein." Die Wärmeaustauschplatte soll ausserdem in der Lage sein, die äussere Verkleidung des Schachtofens auch dann noch wirksam zu schützen, wenn während des Ofenbetriebes die Wand aus dem feuerfesten Material unvermeidbar mehr oder weniger vollständig zerstört worden ist.

Der Erfindung liegt also zusammengefasst die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeaustauschplatte für Schachtofenwände zu schaffen, die die Wände, aus dem feuerfesten Material mit hohem Wirkungsgrad kühlt, die mit langen Standzeiten zuverlässig arbeitet und billig herstellbar ist und gleichzeitig bei hoher homogener Kühlleistung die Aussenverkleidung des Ofenschachtes wirksam auch bei grösseren Schäden an der feuerfesten Auskleidung zu schützen vermag.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss eine Wärmeaustauschplatte vorgeschlagen, die die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale aufweist.

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Die Erfindung schafft also eine Wärmeaustauschplatte für den Durchfluss eines Wärmeträgers. Die Austauschplatte besteht aus einem Rahmen, der aus zwei gekrümmten Rohrelementen aufgebaut ist, die Stoss auf Stoss auf Trennblechen miteinander verschweisst sind. Jedes dieser Rohrelemente wird von unabhängigen Wärmeträgerströmen durchströmt. Die Wärmeaustauschplatte weist weiterhin ein ebenes und hohles Mittelteil auf, das ein doppelwand!ges Innenfeld bildet. Dieses innere Teil ist mit den Innenflächen des Rahmens verschweisst. Dieses Mittelteil bildet insgesamt eine von einem unabhängigen Wärmeträgerfluss durchströmte Kammer.

In der Wärmeaustauschplatte sind also insgesamt drei voneinander unabhängige Wärmeträgerströme verfügbar, nämlich zwei in den beiden Rohrelementen des Rahmens, die durch das Trennblech voneinander getrennt sind, und der dritte

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im inneren doppelwandigen Feld der Austauscherplatte. Diese drei voneinander unabhängigen Wärmeträgerströme verlaufen kontinuierlich und aufsteigend, so dass sich in der Austauschplatte weder Ablagerungen noch Gasblasen oder Lufttaschen bilden können. ·

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das innere doppelwandige Feld* der Austauscherplatte durch Trennwände im Inneren als Labyrinth ausgebildet. Die Trennwände dienen gleichzeitig als Absteifure. Durch c.as im Mittelteil der Austauschplatte ausgebildete Labyrinth werden eine hohe Strömungsgeschwint igke:.^A:. i'"r den die Platte durchströmenden Wärmeträger und e. ne glei ν /lässige Bespülung und Kühlung der gesagten Ober; lache de.. Mittelteils der Austauscherplatte erzielt.

Die Erfindung ist im iolge^den anhand von Ausführungsbeispielen in Verbinduna rv±t den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

sine Wärmeaustauschplatte in schematischer perspektivischer Darstellung, teilweise weggebrochen;

Figuren 2a und 2 b

im Axialschnitt bzw. im Radialschnitt eine Schachtofenwand mit dem Wärmeaustauscher zwischen der Aussenverkleidung und der feuerfesten Innenauskleidung;

Fig. 3

in perspektivischer Darstellung, teilweise weggebrochen, ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel der Wärmeaustauschplatte für einen einzigen Wärme-

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trägerstrom;

Fig. 4 das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel· im Querschnitt und

Figuren 5

bis 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel· der

Erfindung in Seitensieht, im Axiaischnitt bzw. im Radiaischnitt.

In schematischer Darste^ung ist in der Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel· der Wärmeaustauschpl·atte der Erfindung dargestel·^. Die Piatte besteht aus einem Rahmen, der aus zwei gekrümmten Stahl·rohrel·ementen 10 und 12 zusammengesetzt ist. Die beiden Stahl·rohrel·emente 10 und 12 sind Stoss auf Stoss unter Zwischenfügung von zwei Trennbiechen 14 und 16 aufeinandergeschweisst. In jedem der beiden Rohreiemente 10 und 12 ist ein unabhängiger Strömungspfad für den Wärmeträger vorgegeben. Jedes der beiden Rohreiemente 10 und 12 ist zu diesem Zweck an seinem unteren Ende mit einem Einiaßstutzen 24 bzw. 26 für den Wärmeträger und an seinem oberen Ende mit einem Ausiaßstutzen 28 bzw. 30 für den Austritt des Wärmeträgers versehen. Sowohl· die Einiaßstutzen 24,26 ais auch die Ausiaßstutzen 28,30 sind beim Einbau der Wärmeaustauschpiatte in die Schachtofenwand durch die Aussenverkieidung des Ofenschachtes hindurchgeführt .

Die Wärmeaustauschpiatte weist weiterhin ein hohies Mittel·fel·d auf, das von zwei Wandbiechen 18 und 20 begrenzt ist. Beide Wandbieche sind vorzugsweise Stahl·bl·eche. Das der Aussenseite des Ofens zugekehrte Wandbiech 18 ist im foigenden al·s ^IIAussenbl·ech^II ,das der Ofeninnenseite zugekehrte Wandbiech 20 ais ^IIInnenbl·ech^II bezeichnet. Die beiden Bleche sind durch Trennwände 22 einerseits voneinander getrennt, andererseits

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miteinander verbunden. Diese Trennwände 22 dienen gleichzeitig der mechanischen Versteifung des Mittelfeldes und definieren im Inneren dieses Mittelfeldes Strömungskanäle, die den Wärmeträger bei seinem Strom durch die Austauschplatte sinusförmig aufsteigend umlenken, wie dies in der Fig. 1 durch die perspektivisch dargestellten Pfeile F angedeutet ist. Das Innenfeld weist an seinem unteren Teil einen Einlassstutzen 32 und an seinem oberen Teil einen Auslassstutzen 34 für den Wärmeträger auf.

Auf dem Innenblech der Wärmeaustauscherplatte ist weiterhin in prinzipiell beliebiger und in den Figuren im einzelnen nicht dargestellter Weise ein Gitter 36 mit Bienenwabenstruktur befestigt. Das Gitter 36 dient dem Schutz des Mittelfeldes der Wärmeaustauschplatte. Dieses Gitter ist bis an seinen Rand vollständig mit einem feuerfesten Futter 38 ausgefüllt, das unter Berücksichtigung der Auskleidung des Ofenschachtes ausgewählt ist, in dem die Wärmeaustauschplatte eingesetzt werden soll.

In den Figuren 2a und 2b ist die Anordnung der Wärmeaustauschplatte in der Wand eines Schachtofens dargestellt. Jede der Wärmeaustauschplatten 40 ist zwischen der Aussenverkleidung 42 und der feuerfesten Innenauskleidung 44 des Ofenschachtes angeordnet. Die Verbindung zwischen den verschiedenen Elementen der Ofenwand ist durch eine Masse hergestellt, beispielsweise aus gestampftem feuerfestem Material, die unter Berücksichtigung des Auskleidungsmaterials für den Ofenschacht, in dem die Wärmeaustauschplatte eingesetzt werden soll, ausgewählt ist.

In der Fig. 2 ist weiterhin die Kombination der Wärmeaustauschplatte der Erfindung mit den an sich bekannten Kühlkammern (Kühlnasen) 48 dargestellt.

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Ein weiteres, besonders einfaches Ausführungsbeispiel der Wärmeaustauschplatte der Erfindung ist in den Figuren 3 und 4 gezeigt. Der Rahmen 50 der Austauschplatte besteht nicht wie in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel aus zwei Rohrelementen 10,12, sondern aus zwei gebogenen Eisenblechen 50a und 50b, die mit Schweissnähten 54 und Stoss auf Stoss miteinander verbunden sind. In diesem Rahmen 50 ist ein Mittelfeld 52 gehaltert, vorzugsweise eingeschweisst. Dieses Mittelfeld 52 ist prinzipiell in gleicher Weise wie das in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellte Mittelfeld aufgebaut. Das in Fig. gezeigte Ausführungsbeispiel der Wärmeaustauschplatte unterscheidet sich also von dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wesentlich nur darin,dass das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel lediglich einen einzigen Wärmeträgerstrom einzustellen ermöglicht. Der Wärmeträger wird durch einen unten liegenden Einlaßstutzen 58 in das Mittelfeld eingeleitet und aus diesem durch einen oben liegenden Auslaßstutzen 60 wieder abgeleitet.

Auch die in den Figuren 3 und 4 gezeigte Wärmeaustauschplatte wird so in die Schachtofenwand eingebaut, wie das in den Figuren 2a und 2b dargestellt ist. Für den Wärmeträgerstrom (Kühlmittelstrom) brauchen jedoch nicht je Platte drei Eingangsanschlüsse und drei Ausgangsanschlüsse, sondern lediglich ein Eingangsanschluss und ein Ausgangsanschluss hergestellt zu werden.

In der Fig. 4 ist ausserdem die innenseitige Anordnung des Schutzgitters 36 angedeutet.

Der Volumenstrom des Wärmeträgerfluids wird nach den Erfordernissen des Wärmeaustausches eingestellt. Als mittlerer Richtwert kann dabei ein Wärmeträger-Volumenstrom in der Grössenordnung von 10 m³/h angesehen werden, um den Verbrauch

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und Bedarf an Wärmeträgerfluid möglichst gering zu halten, sind die Wäirmeaustauschplatten vorzugsweise in Reihe geschaltet. Die Anzahl der Platten, die dabei in eine Reihe ,geschaltet werden können, hängt von den anlagenspezifischen Parametern ab, beispielsweise also von der Art des feuerfesten Auskleidungsmaterials, von der Art des eingesetzten Wärmeträgerfluids und von der Temperatur dieses Fluids. Das am letzten Element der Reihe austretende Wärmeträgerfluid darf dabei die für die Durchführung eines wirkungsvollen Wärmeaustausches zulässige Höchsttemperatur nicht überschreiten.

Genaue Berechnungen zeigen, dass selbst bei sehr starker thermischer Belastung die Wärmeaustauschplatte der Erfindung nur massigen, vom Stahl in jedem Fall tolerierten Wärmespannungen unterliegt. Die auf der Aussenseite der Wärmeaustauschplatte auftretende Temperatur liegt innerhalb der üblichen Grenzen.

Unter anderem weist die Wärmeaustauschplatte der Erfindung den Vorteil auf, dass sie in der Lage ist, automatisch einen thermischen Schutzmantel aufzubauen. Bei Normalbetrieb ist die Platte ausgesprochen kalt. Sobald flüssige Schlacke auf die Platte gelangt, bildet diese sofort eine feste Schicht oder Kruste mit nur sehr geringer Wärmeleitfähigkeit. Dadurch, ist der Wärmeübergang insgesamt begrenzt. Sobald der Strom nachlässt, verfestigt sich die Ablagerung, so dass sich allmählich ein Gleichgewicht zwischen der Wärmezufuhr und der (möglichen) Wärmeabsorption einstellt. Der in dieser Weise automatisch erfolgende Aufbau einer Auskleidung bzw. einer eigenen thermischen Schutzschicht kann mit den bekannten klassischen Kühlsystemen für Schachtofenwände nicht erhalten werden. Flüssige Schlacke vermag sich bei 800 ⁰C nicht auf einem metallischen Werkstoff zu verfestigen. Auch eine Sättigung des Wärmeüberganges

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-kann unter diesen bekannten Bedingungen nicht erhalten werden. Dies führt bei den bekannten Kühlsystemen dazu, dass sich die Schlacke auf den Kühlelementen laufend erneuert, wodurch die bekannten Kühlelemente allmählich überlastet werden und abzuschmelzen beginnen. Dieser Effekt kann durch den Aufbau der Schlackenschutzschicht beim Wärmeaustauscher der Erfindung nicht auftreten.

In den Figuren 5 bis 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das vor allem für die Kühlung der Rast von Schachtofen, insbesondere von Hochöfen,dient. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Mantel oder ein Schirm vorgesehen, der wie ein Heizblech mit gewalzten oder extrudierten Rippenrohren 62 belegt und verbunden ist. Diese Rohre, die in der Fig. 7 dargestellt sind, sind mit jeweils zwei ihrer Rippen miteinander verschweisst. Die Einlaßstutzen 64 und die AuslafiBtutzen 66 für das Wärmeträgerfluid sind in zwei oder drei Reihen angeordnet, so dass an dieser Stelle eine Schwächung der Aussenummantelung des Ofenschachtes bei der Durchführung der Anschlußstutzen vermieden wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Wärmeaustauschplatte mit Wärmeträgerfluidumlauf für Schachtofenwände, insbesondere für Hochofenwände, dadurch gekennzeichnet , dass sie zwischen die zu kühlende feuerfeste Innenauskleidung und die Aussenverkleidung des zu schützenden Ofenschachtes eingesetzt ist und dass sie aus einem Rahmen besteht, der aus zwei gekrümmten und unter Zwischenschaltung von Trennblechen (14,16) Stoss auf Stoss zusammengeschweissten Rohrelementen (10,12) aufgebaut ist, wobei jedes der Rohrelemente jeweils einen vom anderen Rohrelement unabhängigen Wärmeträgerstrom leiten kann, und aus einem hohlen, ebenen, doppelwandigen Mittelteil besteht, dessen Wandbleche (18,20) mit der Innenseite des Rahmens verschweisst sind, so dass das Innenfeld einen abgeschlossenen Raum bildet, der ebenfalls von einem unabhängigen Wärmeträgerstrom durchströmt werden "kann.

2. Wärmeaustauschplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das doppelwandige Innenteil durch Trennwände (22), die gleichzeitig als Absteifung dienen, in bestimmte Strömungspfade aufgegliedert ist.

3. Wärmeaustauschplatte nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

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dadurch gekennzeichnet , dass sie aus einem maschinell geschweissten Stahl hergestellt ist.

4. Warmeaustauschplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Beaufschlagung der Rohrelemente und des doppelwandigen Innenfeldes mit dem Wärmeträger im unteren Bereich dieser Elemente erfolgt, während der Wärmeträgerauslass der Elemente an deren oberer Seite angeordnet ist, und zwar in der Weise, dass in der Wärmeaustauschplatte drei vollständig voneinander unabhängige Wärmeträgerströme erhältlich sind.

5. Wärmeaustauschplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , dass sie für das Mittelfeld der Platte ein Schutzelement aufweist, das aus einem an dem inneren Wandblech (20) befestigten wabenartigen Schutzgitter (36) besteht, das mit einer Auskleidung (38) aus einem feuerfesten Werkstoff ausgefüllt ist, der nach Massgabe des Mauerwerks des Schachtofens ausgewählt ist, für den die Warmeaustauschplatte (Kühlplatte) eingesetzt werden soll.

6. Wärmeaustauschplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass sie mit anderen identischen Platten und/oder in Kombination

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mit an sich bekannten Kühlkammern oder Kühlnasen in der Weise eingesetzt wird, dass diese Elemente den grössten Teil der abstrahlenden Oberfläche bedecken und gleichzeitig für die feuerfeste Wand eine zuverlässige Halterung bilden.

7. Wärmeaustauschplatte nach einem der Ansprüche 1 bis

6, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , dass sie senkrecht zum abzuführenden Wärmefluss ausgerichtet ist.

8. Wärmeaustauschplatte nach einem der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet , dass sie lediglich einen einzigen Wärmeträgerstrom einzustellen vermag, wobei der Rahmen (50) der Wärmeaustauschplatte aus zwei gekrümmten Stahlblechen besteht, die Stoss auf Stoss miteinander.verschweisst sind und ein Mittelfeld (52) umschliessen.

9. Wärmeaustauschplatte für die Rast eines Schachtofens, insbesondere eines Hochofens, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , dass sie in Form eines Schirmes aus Rippenrohren (62) ausgebildet ist, die unter sich über je zwei ihrer Rippen miteinander verschweisst sind und deren Eingangsanschlüsse (64) und Ausgangsanschlüsse (66) für den Wärmeträger sowohl eingangs-

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als auch ausgangsseitig in mehreren übereinanderliegenden Reihen angeordnet sind.

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