DE2706090A1

DE2706090A1 - Plattenaustauscher

Info

Publication number: DE2706090A1
Application number: DE19772706090
Authority: DE
Inventors: Joerg Gottfrid Hei Lilljeqvist
Original assignee: LILLJEQVIST JOERG GOTTFRID HEINRICH
Current assignee: LILLJEQVIST JOERG GOTTFRID HEINRICH
Priority date: 1976-02-17
Filing date: 1977-02-12
Publication date: 1977-08-18
Also published as: JPS52103055A; FI770464A; DK66677A; SE7601788L

Description

Ans 3819

Jörg Gottfrid Heinrich Lilljeqvist, VessIevagen 16, S-183 40 TABY-ENSTAPARK, Schweden.

Plattenaustauscher

Es ist bekannt, dass Wärme von einem Primärmedium mittels Wärmeaustauscher mit die Medien trennenden Uebertragungsflächen an ein Sekundärmedium übertragen werden kann. Es ist auch bekannt, dass die Grosse der Uebertragungsleistung - abgesehen von verschiedenen Eigenschaften der Medien - teils von den Temperaturverhältnissen der Medien, teils von der Grosse und Ausbildung der uebertragungsfläche und teils von der Wärmedurchgangszahl (K-Wert) abhängig ist. Die Wärmedurchgangszahl ist ihrerseits - abgesehen von gewissen sekundären Nebenerscheinungen, wie der Wärmeleitzahl und der Verschmutzung der Wärmeübertragungsfläche - von der Grosse der Wärmeübergangszahl der beiden Medien abhängig.

Bei den gleichen Eigenschaften von Primär- und Sekundärmedium erhält man grundsätzlich die günstigsten Betriebsverhältnisse, teils wenn die WärmeUbergangszahl beider Medien etwa dieselbe ist, was konstruktiv durch etwa die gleiche Geschwindigkeit von Primär- und Sekundärmedium gegen die Uebertragungsfläche erzielt wird, und teils bei reinem Gegenstromprinzip. Bei sämtlichen vorhandenen Konstruktionen müssen diese beiden Verhältnisse zu einem Kompromiss abgewogen werden, falls sich die Verhältnisse der Medienmengen von denjenigen Verhältnissen unterscheiden, für die der Standardapparat beabsichtigt ist. Die Geschwindigkeit des einen Mediums gegen die Uebertragungsfläche kann bei solchen ungünstigen Verhältnissen die Geschwindigkeit des anderen Mediums wesentlich überschreiten, d.h. die Wärmedurchgangszahl wird im wesentlichen von der Uebergangszahl des anderen Mediums bestimmt, und der Wärmeaustauscher wird unwirtschaftlich ausgenutzt. Diese Standardkonstruktionen werden mit anderen Worten nur im Auslegungspunkt für beide Medien wirtschaftlich ausgenutzt, oder falls die Wärmeübergangszahlen beider Medien prozentual ebenso viel zunehmen, beispielsweise durch entsprechend gesteigerte Mengen beider Medien.

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Andere extreme Fälle bekannter Standardkonstruktionen verzichten bewusst auf das Gegenstromprinzip, um durch Wärmeübergangszahlen derselben Grosse für beide Medien ideale Verhältnisse zu erreichen. Hier wird die üebertragungsleistung durch geringere Ausnutzung des Temperaturunterschieds geringer.

Ein bekannter Wärmeaustauscher für zumindest ein wärmeabgebendes und zumindest ein wärmeaufnehmendes Medium mit dazwischenliegenden WärmeUbertragungsflachen umfasst im Abstand nebeneinander angebrachte Platten, wo höchstens jeder zweite Zwischenraum von zumindest einem wärmeabgebenden Medium durchströmt wird, während die anderen Zwischenräume von zumindest einem wärmeaufnehmenden Medium durchströmt werden, wobei die Platten Vieleck-Platten mit gleicher Anzahl Seitenkanten sind und mediumdicht miteinander längs der Seitenkanten und ausserdem paarweise längs zweier gegenüberstehender Seitenkanten von zwei Platten vereinigt sind, so dass zwischen jedem Plattenpaar zwei einander gegenüberstehende öffnungen gebildet werden, die an verschiedenen Seitenkanten des Vielecks für benachbarte Plattenpaare angeordnet sind. Jeder Seite des von den Platten gebildeten Stapels ist ein Kasten zugeordnet, der mit den genannten Offnungen verbunden ist und einen Verteilerkasten bzw. einen Sammelkasten für das diesbezügliche Medium bildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben angedeuteten Nachteile zu beseitigen, indem sie die Verwendung derselben Konstruktionselemente bei idealen Verhältnissen und unterschiedlichen Betriebsverhältnissen ermöglicht, d.h. ein Standard-Wärmeaustauscher kann durch technisch geringfügige Eingriffe den erwünschten, idealen Verhältnissen angepasst werden, so dass man für beide Medien dieselbe Geschwindigkeit gegen die Uebertragungsflache und somit dieselbe Wärmeübergangszahl erhält.

Wie eingangs erwähnt, kann dieser Wärmeaustauscher innerhalb weiter Temperatur-, Druck- und Strömungsbereiche benutzt werden und eignet sich für viele korrodierende Medien, da sich die Konstruktion für alle schweissbaren oder anderswie mediumdicht zusammensetzbaren Materialien gebrauchen lässt.

Die erfindungsmässige Konstruktion eignet sich vorzüglich für Wärmeaustauscher mit Fernheizungs-Kreislaufwasser auf der

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Primärseite und mit Radiator-, LUftungs-, Strassenheizungs- oder ähnlichem Kreislaufwasser auf der Sekundärseite und zum Erwärmen von Brauchwasser. Allein auf diesem Gebiet bietet der erfindungsmässige Wärmeaustauscher wesentliche Ersparnisse.

Die obengenannte Aufgabe wird erfindungsmässig dadurch gelöst, dass die Oberfläche der wärmeübertragenden Platten derart ausgebildet ist, dass unabhängig von der Strömungsrichtung der Druckfall des Mediums, welches durch die Zwischenräume zwischen den bezüglichen Platten strömt, im wesentlichen gleichförmig ist, und dass zumindest die für das eine Medium bestimmten Zwischenräume mit langgestreckten Umlenkwänden versehen sind, die den Strömungsweg des Mediums durch den Zwischenraum verlängern und abgrenzen sowie den Abstand zwischen den den Zwischenraum begrenzenden Platten überbrücken.

Die Erfindung ermöglicht die Verwendung einer Kombination von Kreuzstrom und Gegenstrom mit grosser Variationsfreiheit, und zwar auf der Primärseite und/oder der Sekundärseite, trotz Verwendung von nur einem Konstruktionselement. Dank dieser Variationsfreiheit kann dieselbe Wärmeaustauscherkonstruktion für viele verschiedene Uebertragungsarten und gleichzeitig zur maximalen Ausnutzung der WärmeUbertragungsfläche benutzt werden.

Ausführungsbeispiele des erfindungsmässigen Wärmeaustauschers sind auf der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 in Draufsicht eine Platte, die die eine Seite eines für das eine Medium bestimmten Zwischenraumes abgrenzt,

Fig. 2 in Draufsicht eine Platte, die die eine Seite eines für das andere Medium bestimmten Zwischenraumes abgrenzt,

Fig. 3 einen Durchschnitt eines Wärmeaustauschers nach der Linie A-A bei einer Platte gemäss Fig. 2,

Fig. 4 einen ähnlichen Durchschnitt nach der Linie B-B in Fig. 1,

Fig. 5 eine abgeänderte AusfUhrungsform der in Fig. 1 gezeigten Platte,

Fig. 6 eine abgeänderte AusfUhrungsform der in Fig. 2 709833/0702

gezeigten Platte,

Fig. 7 und 8 Durchschnitte nach den Linien A-A und B-B eines aus Platten gemäss Fig. 5 und 6 aufgebauten Wärmeaustauschers ,

Fig. 9, 10 und 11 bzw. 12, 13 und 14 Durchschnitte weiterer abgeänderter Ausführungen der Platte und eines davon aufgebauten Wärmeaustauschers, wobei Fig. 9, 10 und 11 Längsschnitte nach den Linien A-A, B-B und C-C in Fig. 12, und Fig. 12, 13 und 14 Querschnitte nach den Linien D-D in Fig. 9, E-E in Fig. 10 und F-F in Fig. 11 sind,

Fig. 15 in Draufsicht und in grösserem Massstab eine weitere, abgeänderte AusfUhrungsform einer Wärmeaustauscherplatte,

Fig. 16 einen Querschnitt in noch grösserem Massstab des Mittelteils der Platte gemäss Fig. 15 nach der Linie A-A in Fig. 15,

Fig. 17 eine weitere, abgeänderte Ausführungsform eines Wärmeaustauschers im Längsschnitt durch die Kanäle der Primärseite,

Fig. 18 denselben Austauscher im Längsschnitt durch die Kanäle der Sekundärseite,

Fig. 19, 20, 21 und 22 Querschnitte des Wärmeaustauschers gemäss Fig. 17 und 18 nach den Linien A-A, B-B, C-C bzw. D-D in den genannten Figuren,

Fig. 23 und 24 Längsschnitte längs der Primär- bzw. Sekundärseite einer weiteren, abgeänderten Ausführungsform des Wärmeaustauschers, und

Fig. 25, 26, 27 und 28 Querschnitte nach den Linien A-A, B-B, C-C und D-D in Fig. 23 und 24.

Die am weitesten rechts und links liegenden Platten la bzw. Ie in Fig. 3 sind mit den benachbarten Platten Ib und Id und mit den horizontalen Wänden 32, 33 sämtlicher Sammelkästen flüssigkeitsdicht verbunden. Diese am weitesten rechts und links liegenden Platten la und Ie sind ausserdem mit Stirnwänden oder Deckeln 21, 22 versehen, die die Jm.cn Flüssigkeitsdruck entstehende Kraft aufnehmen können und durch z.B. Bolzen 16 kraftschlüssig mit-

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einander verbunden sind.

Alternativ kann die rechte und linke Platte la, Ie^ kombiniert flüssigkeitsdicht und kraftaufnehmend ausgebildet werden. Die aufeinander gestapelten Platten können mit Vorteil mit einem punktförmigen Profil ausgebildet werden. Die Platten können in einem solchen Abstand aufeinander gestapelt werden, dass der konvexe Teil des einen Plattenprofils den konvexen Teil des nächsten Plattenprofils usw. berührt, sowie derart, dass die Medien gleichzeitig durchströmen können. Ausserdem ist es besonders wertvoll, dass sämtliche Verteiler- bzw. Sammelkästen nach Belieben mit je einer Sperrplatte 35 (Fig. 23-28) versehen werden können, um zwei wärmeabgebende und/oder wärmeaufnehmende Medien flussigkeits- und druckdicht voneinander zu trennen.

Die erfindungsmässige Konstruktion besitzt ausserdem den grossen Vorteil, dass Stutzen 23, 24 in Fig. 11 zur vollen oder teilweisen Zu- und/oder Abfuhr der Medien stets leicht an jedem beliebigen Punkt längs des Sammelkastens des jeweiligen Mediums angebracht werden können.

Ueberall längs der Kästen können ausserdem Stutzen 25 (Fig. 10) vorgesehen werden, um durch jedes einzelne Element Reinigungsflüssigkeit oder -gas zuzuführen oder abzuleiten.

Die in vertikaler Lage gezeigten Einheiten können natürlich auch in horizontaler Lage oder auf den Kopf gestellt angebracht werden, je nach Belieben.

Fig. 1-8 zeigen einfache Ausführungsformen des erfindungsmässigen Wärmeaustauschers zur Uebertragung von Wärme von einem Primärmedium an ein Sekundärmedium für beispielsweise Hausstationen mit Fernheizungswasser auf der Primärseite und Radiatorwasser auf der Sekundärseite.

Die Wärmeübertragungsfläche, d.h. die Wände zwischen den von den Medien durchströmten Zwischenräumen, bestehen in diesem Falle aus vierkantigen Blechplatten der Grosse 700x400 mm, die in einem gegenseitigen Abstand von z.B. 3-5 mm aufeinander gestapelt sind. Wie aus Fig. 15 und 16 hervorgeht, können die Platten mit Warzen 15 in diagonaler Teilung (45°) profiliert sein. Die Warzen der Platte la sind dabei derart angebracht, dass sie

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gegen die Platte Ib mitten zwischen deren Warzen anliegen. Durch diese Profilierung werden die Platten in einer solchen Weise aufeinander gestapelt, dass die konvexen Teile der Warzen der Platte la gegen ebene Teile der Platte Ib anliegen usw. Diese Ausbildung bietet den Vorteil, dass die Wärmedurchgangszahl vom Medium zur Uebertragungsflache von der Strömungsrichtuno unabhängig ist. Dasselbe Prinzip lässt sich auch bei anderen Plattenprofilen gebrauchen.

In Fig. 1_# 2, 5 und 6 sind mit dickeren Linien die Fugen 4,5 bezeichnet, die mediumdicht ausgebildet sein müssen, beispielsweise durch Widerstandsschweissen, Löten mit Hilfe einer dazwischenliegenden Packung aus Elastomer, oder durch Kleben. Bei der Montage wird zunächst die linke Stirnwandplatte 22 (Fig. und 4) mit der ersten Platte la verbunden, die dann mit der zweiten Platte Ib verbunden wird usw. Schliesslich wird die letzte Platte Ie mit der rechten Stirnwandplatte 21 verbunden. Jede Verbindung umfasst eine Fugenabdichtung rundum die Uebertragungsf lache 4, 5 und rundum die beiden Kästen 26, 27. Auf der Primärseite sind erfindungsgemäss ausserdem Dmlenkwände anzubringen. Die Stirnwandplatten sind hier durch eine Anzahl durchgehender Bolzen 16 zusammengehalten, die die durch den inneren Druck entstehende Kraft aufnehmen.

Die Wirkungsweise des erfindungsmässigen Wärmeaustauschers ist wie folgt. Primärmedium VpI strömt in Fig. 1-4 oben auf der linken Seite in den Verteilerkasten 32 in Fig. 3 und dann in die Zwischenräume hinein, die die Primärseite der Platten la, Ib, Ic bilden. Dadurch dass die Umlenkwände 14 in den Zwischenräumen für Primärmedium angebracht sind, wird der Strömungsweg serpentinenartig verlängert, bevor er unten links in den Sammelkasten 33 ausmündet. Eine kleinere Menge Primärmedium kann an der Umlenkwand durch Löcher 31 vorbei*trömen, um zu verhindern, dass ein in Strömungshinsicht toter Raun entsteht.

Das Primärmedium gibt Ober die Platten Wärme an das Sekundärmedium ab und verlässt den Sammelkasten 33 unten rechts mit reduzierter Temperatur. Das Primärmedium, welches Rücklauftemperatur aufweist, ist alt Vp2 bezeichnet.

Das Sekundärmedium VsI strömt in Fig. 4 unten auf der 709833/0702

rechten Seite in den Verteilerkasten 20 hinein und wird von dort in die Zwischenräume 3 des Sekundärmediums verteilt, um dann in gteJchmässiger Verteilung im Zwischenraum in den Sammelkasten 19 oben links einzuströmen. Dabei ist vorausgesetzt, dass in den Zwischenräumen des Sekundärmediums keine Umlenkwände vorgesehen sind. Die Strömungsmenge des Sekundärmediums ist also hier etwa dreimal so gross wie die Strömungsmenge des Primärmediums. Das Sekundärmedium nimmt in dieser Weise Wärme vom Primärmedium auf, um dann oben auf der linken Seite in Fig. 1 aus dem Sammelkasten auszuströmen. Das ausgehende Sekundärmedium ist mit Vs2 bezeichnet.

Eine andere AusfOhrungsform gemäss Fig. 5-7 zeigt einen Wärmeaustauscher, bei dem das Verhältnis zwischen den Mediumströmen 4:1 statt 3:1 beträgt. Statt dreier Umlenkwände sind vier solche Wände vorgesehen, und die Anschlussstutzen für das ein- und ausgehende Primär- bzw. Sekundärmedium liegen auf entgegengesetzten Seiten, anstatt auf derselben Seite, wie in Fig. 1-4.

Die Ausführungsformen gemäss Fig. 17-28 zeigen den erfindungsmässigen Wärmeaustauscher als Durchströmungs-Warmwasserbereiter Bit zwei separaten Uebertragungsteilen, dem Vorwärmerteil und dem Nachwärmerteil, die durch eine Sperrplatte 34, 35 getrennt sind. Diese Ausführungsform ist für die Warmwasserbereitung von fernbeheizten Häusern bestimmt.

Die WärmeÜbertragungsflächen oder -platten sind hier grundsätzlich in derselben Weise wie in Fig. 1-4 bzw. Fig. 15 und 16 ausgebildet. Sowohl die Primär- als auch die Sekundärseite des Nachwärmerteils (Fig. 19 und 22, A-A, C-C) ist mit einer Umlenkwand versehen. Im Vorwärmerteil (Fig. 20 und 21, B-B, D-D) ist jedoch nur die Primärseite mit einer Umlenkwand versehen.

Die Wirkungsweise dieses Warmwasserbereiters ist grundsätzlich dieselbe wie beim Wärmeaustauscher gemäss Fig. 1-4. Der Unterschied liegt nur darin, dass die Vorrichtung etwa in der Mitte mit einer Sperrplatte 34 versehen ist. Hierdurch wird er-BÖglicht, dass teils der Stutzen des Rücklaufwassers von der Heisswasserseite des Radiator-Wärmeaustauschers und teils der Stutzen der Heisswasser-Kreislaufleitung WC an der gewünschten Stelle angeschlossen werden kann.

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Ein weiteres Prinzip ist in Fig. 9-14 dargestellt, wo Härme von einem Primärmediuro gleichzeitig an zwei Sekundärmedien übertragen wird. Die Wärmeübertragungsplatten sind z.B. sechskantig mit verschiedenen Kantenlängen, die der Strömung des Mediums angepasst sind. Im übrigen ist diese Vorrichtung nach denselben Grundsätzen wie oben konstruiert und arbeitet auch nach denselben Grundsätzen.

Bei sämtlichen Ausfuhrungsformen kann ein für das Medium zweckdienliches Material sowohl für die Uebertragungsflache, d.h. die Platten, als auch für die Verteiler- und Sammelkästen gewählt werden. Falls eines der Medien ein besonders teueres Material verlangt, brauchen nur die davon berührten Seiten aus diesem Material hergestellt zu werden.

Die Umlenkwände 14 können entweder in das Plattenmaterial eingestanzt oder aus einem anderen Material ausgeführt sein, beispielsweise Metall, Elastomer od.dgl., und können durch Schweissen, Löten, Kleben oder loses Einlegen zwischen die Platten und deren Warzen angebracht werden.

Die oben beschriebenen Abänderungen, Ausbildungen der Einzelteile und die Betriebsverhältnisse sind als prinzipielle Beispiele zu betrachten, die im Rahmen des Erfindungsgedankens leicht in einer solchen Weise abgeändert werden können, dass sich die Vorrichtung für die erwünschten Betriebsverhältnisse eignet. Die Vorrichtung ist ausserordentlich flexibel, insbesondere weil die gesamten durchstrichenen Breiten- und Längenverhältnisse der Wärmeübertragungsflächen auf den Primär" und Sekundärseiten unabhängig voneinander geändert werden können. Die Vorrichtung umfasst nur wenige Bauelemente und ist deshalb für die Reihenfertigung sehr geeignet. Dennoch bietet der Zusammenbau der Einzelteile grosse Variationsmöglichkeiten, und der Anwendungsbereicht der erfindungsmässigen Konstruktion ist deshalb sehr ausgedehnt.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Wärmeaustauscher zum Wärmeaustausch zwischen zumindest einem wärmeabgebenden Medium und zumindest einem wärmeaufnehmenden Medium über die Medien voneinander trennende, wärmeübertragende Wände, umfassend eine Anzahl im Abstand voneinander angeordneter Platten, wobei höchstens jeder zweite Zwischenraum von dem oder den wärmeabgebenden Medien durchströmt wird, während die restlichen Zwischenräume von dem oder den wärmeaufnehmenden Medien durchströmt werden, und wobei die Platten, welche Vielecke mit einer gleichen Anzahl Seitenkanten sind und mediumdicht miteinander verbunden sind, an ihren gegenüberstehenden Seitenkanten öffnungen zu Verteiler- bzw. Sammelkanälen besitzen, so dass jeder Zwischenraum zwei gegenüberstehende öffnungen aufweist, die abwechselnd an verschiedenen Seitenkanten des Vielecks an benachbarten Plattenpaaren angebracht sind, und wobei die Verteiler- bzw. Sammelkanäle, die an den gegenüberstehenden Seiten eines aus den Platten bestehenden Stapels gebildet sind, mit den bezüglichen Zwischenräumen in Verbindung stehen und Verteiler- bzw. Sammelkästen für das betreffende Medium bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der wärmeübertragenden Platten derart ausgebildet ist, dass unabhängig von der Strömungsrichtung der Druckfall des Mediums, welches durch die Zwischenräume zwischen den bezüglichen Platten strömt, im wesentlichen gleichförmig ist, und dass zumindest die für das eine Medium bestimmten Zwischenräume (2 oder 3) mit langgestreckten Umlenkwänden (14) versehen sind, die den Strömungsweg des Mediums durch den Zwischenraum verlängern und abgrenzen sowie den Abstand zwischen den den Zwischenraum begrenzenden Platten überbrücken.
2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten Warzen (15) aufweisen, die als Abstandsglieder zwischen den Platten dienen und deren gegenseitige Lage derart gewählt ist, dass die den Strömungsweg abgrenzenden Umlenkwände

(14) in beliebiger Weise angebracht werden können.
3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Strömungsweg definierenden, langgestreckten Umlenkwände (14) mit zumindest der einen von zwei einen Zwischen-

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raum abgrenzenden Platten fest verbunden sind.
4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Strömungsweg abgrenzenden Umlenkwände (14) aus beim Zusammenbau der Vorrichtung lose anbringbaren Teilen bestehen.
5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Zwischenräume abgrenzenden Platten mit Warzen (15) versehen sind, und dass einander gegenüberstehende Warzen gegeneinander anliegen und zusammen den Abstand zwischen den Platten bestimmen.
6. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer vieleckigen Platte nur diametral gegenüberstehende Seiten öffnungen aufweisen.
7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem aus Platten gebildeten Stapel die äusseren Platten (la, Ie) teils mediumdicht mit den Kanten (19, 20) sämtlicher Strömungskanäle verbunden und teils mit Deckeln (21, 22) versehen sind, um durch den Druck des Mediums auf die Wände (19, 20) erzeugte, waagerechte Kräfte übertragen zu können.
8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Verteiler- und/oder Sammelkasten eine Sperrplatte (34, 35) vorgesehen ist, die das Medium und zwei wärmeabgebende und/oder wärmeaufnehmende Medien druckdicht voneinander trennt.
9. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mediumdichte Verbindung durch eine Schweissfuge zustandegebracht ist.
10. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mediumdichte Verbindung Dichtelemente vom Elastomertyp od.dgl. umfasst.
11. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mediumdichte Verbindung durch Kleben zustandegebracht ist.

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