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Verfahren und Vorrichtung zur Blut-
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oxygenation Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur diffusiven Blutoxygenation mit Hilfe gasdurchlässiger Membranen. Bei der diffusiven
Blutoxygenation gelangt der Sauerstoff ohne Blasenbildung in das Blut.
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Bei Operationen beispielsweise am offenen Herzen wird die erforderliche
Sauerstoffversorgung des Patienten durch direkte Zufuhr von Sauerstoff ins Blut,
die sogenannte Blutoxygenation, aufrechterhalten. Gleichzeitig erfolgt dabei das
Abführen des überschüssigenn Kohlendioxyds aus dem Blut. Diese Blutoxygenation erfolgt
außerhalb des Körpers des Patienten durch sogenannte Oxygenatoren.
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Verfahren und Vorrichtungen zur Blutoxygenation sind an sich bekannt.
Weiterhin wird bei den genannten Operationen gleichzeitig die Körpertemperatur des
Patienten durch
extracorporale Temperierung seines Blutes auf dem
gewünschten Niveau gehalten. Allgemein üblich ist dabei zunächst eine rasche Absenkung
der Körpertemperatur des Patienten zu Beginn, d.h. vor der eigentlichen Operation,
das anschließende Halten der niedrigen Körpertemperatur während der Operation und
das WIederherstellen der Ublichen Körpertemperatur nach der Operation. Die Kühlung'des
Blutes erfolgt beispielsweise in der Art, daß das Blut des Patienten oder auch nur
ein Teil desselben durch einen Schlauch geleitet wird, der in Eiswasser liegt. Das
Halten der niedrigen Körpertemperatur und das Wiederaufwärmen des Blutes des Patienten
nach der Operation, aber auch die zu vor beschriebene Abkühlung vor der Operation
können mit Hilfe von speziell Itierfür entwickelten Wärmetauschern durchgeführt
werden, die ebenfalls bekannt sind.
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Es ist ebenfalls bekannt, die Blutoxygenatoren und Blutwärmetauscher
aus Hohlfasern bzw. Hohlfäden, Schlauchfolien oder Flachfolien bzw.- membranen herzustellen
und in Form von sogenannten Moduln zur Verfügung zu stellen, wobei die Sauerstoffzufuhr
zum Blut und die Kohlendioxydentfernung aus dem Blut durch Diffusion des Sauerstoffs
bzw des Kohlendioxyds durch die als Hohlfaser, Hohlfaden, Schlauch oder Folie ausgebildete
Membran des Oxygenators stattfindet und die Kühlung, Temperierung und Aufwärmung'es
Blutes des Patienten in einer zweiten Einrichtung, also einem Wärmetauscher, beispielsweise
mit Hilfe von Wasser mit entsprechender Temperatur erfolgt.
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Dabei strömt das Blut jeweils auf der einen Seite und der Sauerstoff
bzw. das Wasser auf der anderen Seite der Membran der genannten Einrichtungen. Bei
Hohlfasermembranen strömt das Blut im allgemeinen durch das Innere (Lumen) der Hohlfasern
hindurch.
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Nachteilig an diesem bekannten Verfahren ist u.a., daß bedingt durch
die beiden genannten Einrichtungen das außerhalb des Körpers des Patienten zu haltende
Blutvolumen und die mit dem Blut in Berührung kommenden körperfiemden Kontaktflächen
relativ groß sind, daß zwei Einrichtungen ständig überwacht werden müssen, daß jede
Einheit für sich Anlaß zu Störungen geben kann und daß nach Gebrauch nicht nur der
Oxygenator, sondern in den meisten Fällen auch der Wärmetauscher verworfen werden
muß.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese
bei Benutzung von Einwegmembranoxygenatoren der genannten Art und Einweg- bzw. wiederverwendbaren
Wärmetauschern bestehenden Nachteile zu beseitigen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur extracorporalen Oxygenation
und Temperaturregulierung des Blutes von Patienten vorgeschlagen, bei dem die Sauerstoffzufuhr
zum Blut und die Kohlendioxydentfernung aus dem Blut durch Diffusion der beiden
genannten Gase durch eine Membran erfolgt und die Kühlung und Aufwärmung des Blutes
mit mindestens einem Wärmetauscher erfolgt, bei welchem erfindungsgemäß die Wärmeübertragung
vom Blut auf das Fluid oder umgekehrt zunächst auf den Sauerstoff als mittelbaren
Wärmeträger erfolgt und die Sauerstoffzufuhr
sowie die Kolllendioxydentfornung
gleichzeitig mit der Wärmeübertragung stattfinden und Sauerstoffzufuhr, Kohlendioxydentfernung
und Wärmeübertragung durch dieselbe Membran erfolgen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt somit also nur- noch eine
einzige Membraneinheit (Modul), mit welcher sowohl der Gasaustausch als auch die
Wärmeübertragung durchgeführt werden können. Dabei kann die Sauerstoffzufuhr zum
Blut durch Anwendung eines entsprechenden Sauerstoffdruckes reguliert werden, während
die zu übertragende Wärmemenge durch Einstellung entsprechender Sauerstofftemperaturen
und/oder eines entsprechenden Sauerstoffdurchsatzes durch die Ubertragungseinheit
erreicht werden kann. Zu diesem Zweck sind eine entsprechend bemessene Umwälzeinrichtung
für den Sauerstoffkreislauf sowie die üblichen Temperatur-, Druck- und Mengen-Meß-
und Regeleinrichtungen vorzusehen. Zur Kühlung, Temperaturregulierung und Aufwärmuny
des Saçerstoffs, die beispielsweise mit eine entsprechende Temperatur aufweisendem
Wasser erfolgen können, kann ein hierfür üblicher entsprechend bemessener Wärmetauscher
verwendet werden. Seine Gestaltung, Auslegung und Bemessung werden dadurch erleichtert,
daß er nicht wie bei den bekannten Verfahren unumgänglich'mit Blut in Berührung
kommt und daher nach Gebrauch auch nicht verworfen zu werden braucht.
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Desweiteren werden zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
übliche Einrichtungen zur Entfernung des Kohlendioxyds aus dem Sauerstoffkreislauf,
Einrichtungen zum Ergänzen des vom Blut des Patienten aus dem Sauerstoffkreislauf
entnommenen
Sauerstoffs, eine Umwälzpumpe für das Blut des Patienten sowie die vorgeschriebenen
Sicherheitseinrichtungen benötigt.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können alle zur
diffusiven Blutoxygenation geeigneten Membranen verwendet werden, sofern sie auch
eine ausreichende Wärmeübertragung gewährleisten. Eine solche läßt sicli beispielsweise
durch entsprechende Bemessung der Membrandicke in gewünschter Weise erreichen. Bei
den üblichen Membranen ist die zur Sauerstoff-Übertragung erforderliche Membranfläche
im allgemeinen größer als die zur Wärmeübertragung benötigte, so daß aus diesem
Grunde keine zusätzliche Membranfläche für die kombinierte Wärmeübertragung benötigt
wird. Sehr gute Ergebnisse werden beispielsweise mit Membranen aus Polypropylen,
Polyamid oder einer mikroporösen zellförmigen Polymerstruktur gemäß deutscher Offenlegungsschrift
27 37 745 erreicht, deren Dicke im Bereich von 3 bis 300 zm liegt. Bevorzugt werden
dabei Membranen, die als Hohlfasern oder Hohlfäden vorliegen, insbesondere solche,
wie sie in der deutschen Offenlegunggschrift 28 33 493 beschrieben sind. Vorzugsweise
liegt die Porengröße der Membran unterhalb 0,2 am, um ein Eindringen von Bakterien
zu verhindern, da bei der Verwendung solcher bakterienfester Membranen auf das Sterilhalten
des Sauerstoffkreislaufs verzichtet werden kann. Die Verwendung hydrophober Membranen
verhindert das Austreten von Wasser und Eiweiß aus dem Blut.
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Von Natur aus hydrophile Membranen werden daher zweckmäßigerweise
zuvor in an sich bekannter Weise hydrophobiert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist
jedoch nicht auf die Verwendung nur dieser beispielshalber genannten Membrantypen
und -werkstoffe beschränkt.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besitzt die obengenannten notwendigen an sich üblichen Einrichtungen, wie die Umwälzeinrichtungen
für das Blut des Patienten und den im Kreislauf geführten Sauerstoff, eine Kohlendioxydabsorptionseinrichtung,
einen Wärmetauscher zum Kühlen oder Aufwärmen des Blutes, eine Membran für die Sauerstoffanreicherung-des
Blutes und die Kohlendioxydentformung aus dem Blut sowie die Leitungen für das im
Kreislauf geförderte Blut und den im Kreislauf geförderten Sauerstoff, erfindungsgemäß
ist bei ihr jedoch der Wärmetauscher im Sauerstoffkreislauf angeordnet, wobei die
Wärmeübertragungsleistung der die Sauerstoffzufuhr zum Blut, die Kohlendioxydentfernung
aus dem Blut und die Kühlung bzw. Aufwärmung des Blutes bewirkenden Membran mindestens
genauso groß wie diejenige des Wärmetauschers ist. Die Wärmeübertragungsleistung
der Membran wird beeinflußt durch den Blutdurchsatz, den Sauerstoffdurchsatz, die
Temperaturdifferenz an der Membran, die Dicke der Membran, sowie die spezifische
Wärmeleitfähigkeit der Membran.
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Zur fierslellung der einzigen für die erfindungsgemäße Vorrichtung
benötigten Membraneinheit können Membranen in Form von Flachfolien, Schlauchfolien
oder Hohlfasern bzw. Hohlfäden aus den obengenannten Werkstoffen aber auch aus jedem
anderen geeigneten Material verwendet werden. Bevorzugt werden dabei solche Ausführungsformen,
die in Modul form vorliegen und daher auf einfache Weise und ohne spezielle Kenntnisse,
gegebenenfalls sogar von
Laien, in die dafür vorgesehene Apparatur
eingesetzt bzw.
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angeschlossen und nach Gebrauch problemlos ausgebaut und beseitigt
werden können.
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Da bei den hier behandelten Vorrichtungen stets der Wunsch besteht,
eine möglichst große Membranfläche in einem geringen Volumen unterzubringen, um
auf diese Weise die nur einmal zu verwendende Austauscheinileit möglichst klein
und preiswert gestalten zu können, werden erfindungsgemäß Module aus Hohlfasern
bevorzugt, bei denen die Hohlfasern einen Innendurchmesser im Bereich von 150 bis
450 ßm und eine Wandstärke im Bereich von 3 bis 300 ßm aufweisen. Derartige Hohlfasern
gestatten die Unterbringung der erforderlichen Austauschfläche von beispielsweise
5 m2 in einem Gehäuse mit einem Volumen v"n 2000 cm3. Die Länge der Hohlfasern sollte
zur Vermeidllng unnötig hoher Druckverluste auf der Blutseite (= Innenseite der
Hohlfasern) nicht zu groß bemessen werden. Sie liegt vorzugsweise im Bereich von
50 bis 500 mm.
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Die Umströmung der Hohlfasern der Austauscheinhelt mit dem im Kreislauf
geführten Sauerstoff erfolgt zweckmäßigerweise quer zu deren Längsachse, d.h. Blut
und Sauerstoff fließen im Kreuzstrom. Hierdurch läßt sich die Gestaltung des Moduls
bzw. des Modulgehäuses wesentlich vereinfachen. Falls gewünscht, können Blut und
Sauerstoff aber auch im Gegen-oder Gleichstrom zueinander fließen. Auch Mischformen
der genannten Strömungsarten sind möglich. Zu beachten ist in
jedem
Fall, daß zur Gewährleistung einer ausreichenden Wärmeübertragungsleistung der im
Kreislauf geführte Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit die Hohlfasern umströmen
muß. Um den hierzu notwendigen hohen Durchsatz zu erreichen, sind die Hohlfasern
daher in einem ausreichenden Abstand voneinander anzuordnen. Der Abstand benachbarter
Hohlfasern sollte daher etwa das 0,2-fache bis 2-fache ihres Durchmessers betragen.
Das gleiche gilt sinngemäß auch für solche Austauscheinheiten, die aus anders geformten
Membranen, wie oben erwähnt, hergestellt sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
haben auch gegenüber solchen bekannten Verfahren und Vorrichtungen, bei denen der
Wärmetauscher für die Temperierung des Blutes wiederverwendbar ist, den großen Vorteil,
daß hierbei durch die Kombination von Stoff- und Wärmeübertragung an einer einzigen
Austauschfläche (Membran) das außerhalb des Körpers des Patienten zu haltende Blutvolumen
und die mit dem Blut in Berührung kommenden körperfremden Kontaktflächen erheblich
geringer sind, nur eine Einrichtung überwacht zu werden braucht und nach Gebrauch
die mit dem Blut des Patienten in Berührung gewesenen Teile verworfen werden können
und nicht wie ein wiederverwendbarer Wärmetauscher in einem aufwendigen Verfahren
wiener gereinigt und sterilisiert werden müssen.
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Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 in vereinfachter schemati#cher'#Darstellungsweibe
den prinzipiellen Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verf ahrens, Fig. 2 die Austauscheinheit
aus Fig. 1 in geschnittener Darstellungsweise und einem veryrößertem Maßstab, Fig.
3 die Draufsicht auf die Austauscheinheit nach Fig. 2.
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In Fig. 1 ist nur das zum Verständnis der Erfindung Wesentliche dargestellt,
während andere an sich übliche Einrichtungen, wie beispielsweise die Meß und Regelgeräte,
zur Vereinfachung weggelassen wurden.S.Die in Fig. 1 dargestellten Teile sind folgende:
Der Patient 1, die an ihn angeschlossene Blutzirkulationsleitung 2, die Blutumwälzpumpe
3, die kombinierte Stoff-Wärme-Übertragungseinheit 4, die Sauerstoffzirkulationsleitung
5, den Wärmetauscher 6, die Sauerstoffumwälzeinrichtung 7, die Kohlendioxydabsorptionseinrichtun
8 sowie den Sauersto@@@lnspeiseanschluß @@ Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Das
Blut des Patienten 1 wird mittels der Blutumwälzpumpe 3 durch den kombinierten Stoff-Wärme-Austauscher
4 zurück in den Körper des Patienten 1 gepumpt. Mittels der Sauerstoffumwälzeinrichtung
7 wird
Sauerstoff durch die Sauerstoffringleitung 5 im Kreislauf
geführt und durch den Kohlenstoffdioxydabsorber 8,den Wärmetauscher 6 und die kombinierte
Stoff-Wärme-übertragungseinheit 4 gefördert. In den Wärmetauscher 6 wird der im
Kreislauf geförderte Sauerstoff beispielsweise mittels Sol.- kaltem oder warmem
Wasser oder anderer fluider Mittel auf diejenige Temperatur gebracht, die zum Erreichen
der gewünschten Blut- bzw. Körpertemperatur des Patienten 1 erforderlich ist. Die
Aufwärmung oder Kühlung des Sauerstoffs kann auch auf andere Weise beispielsweise
mittels einer elektrischen Heizung oder eines Kühlaggregats erfolgen. Es ist weiterhin
möglich, statt nur eines einzigen Wärmetauschers;6,wie in Fig. 1 dargestellt, zwei
solche Einrichtungen zu verwenden, wobei der eine Wärmetauscher zum Erwärmen und
der andere zum Kühlen des Sauerstoffs verwendet werden kann. In der kombinierten
Stoff-Wärme-Übertragungseinheit 4 findet sowohl die Wärmeübertragung zwischen dem
Sauerstoff und dem Blut statt als auch die Anreicherung des @@@@es des Patienten
lrn~t Sauerstoff durch Diffusion des Sa@@rs@@@@s durch die Membran der Einrichtung
4 sowie die Entfernung des Kohlendioxyds aus dem Blut des Patienten 1, welche ebenfalls
durch Diffusion des Kohlendioxyds aus dem Blut des Patienten durch die Membran der
Einrichtung 4 in den Sauerstoff erfolgt. Das in den Kreislaufsauerstoff aufgenommene
Kohlendioxyd wird anschließend in dem Kohlendioxydabsorber 8 aus dem Sauerstoff
entfernt. Der vom Patienten1verbrauchte Sauerstoff kann kontinuierlich über den
Anschluß @ in das Ringsystem 5 zugespeist werden. Die
gesamte Regelung
und Uberwachung (leer geschilderten Vorgänge wird dabei zweckmSßlgerwelst durch
nicht dargestellte Temperatur-, Druck-, Durchflußmengen-Meß- und Regelgeräte u.dgl.
vorgenommen Die von dem Sauerstoff in der Austauscheinheit 4 aufgenommene oder abgegebene
Wärme wird beim Durchgang des Sauerstoffs durch den WErmetauscher 6 wieder zu- bzw.
abgeführt.
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Fig. 2 zeigt die Austauscheinheit 4 aus Fig. 1 in geschnittener Darstellungsweise
und vergröBertem Maßstab. Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemißen kombinierten
Wärme-Stoff-Austauscheinheit besteht di(' Membran aus einem Hohlfadenbündel 10,
welches in dem Gehäuse 11 angeordnet ist.
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Das Gehäuse besitzt eine Biutverteilkantmer 12, eine Blutsammelkammer
13, eine Sauerstoffverteilkaminer 14 und eine Sauerstoffsammelkammer 15. Die Blutkammern
sind von den Sauerstoffkammern fluiddicht abgetrennt. Da der prinzipielle Aufbau
derartiger Membranoxygenatoreinheiten an sich bekannt ist, wird auf eine weitergehende
Detailbeschreibung desselben verzichtet. Es sei lediglich noch darauf hingewiesen,
daß bei der in Fig. 2 dargestellten für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugten
Ausführungsform der Sauerstoff das Hohlfadenbündel 10 quer durchströmt, wodurch
eine hohe Stoff- und Wärmeübertragungsleistung erzielt wird. Die Flußrichtung des
Sauerstoffs und des Blutes ist darüber hinaus durch die eingezeichneten Pfeile kenntlich
gemacht. Die hierbei erzielte Strömungsart ist der sogenannte Kreuzstrom.
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Wie Fig. 3 erkennen läßt, hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen,
ein Hohlfadenbündel 10 mit einem quadratischen Querschnitt zu benutzen und dieses
in einem Gehäuse 10 anzuordnen, welches in seinem Mittelteil ebenfalls quadratisch
ausgebildet ist. Diese Ausführungsform trägt wesentlich zum Erreichen der geforderten
Austauschleistung bei.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform können, auch mehrere
Wärmetauscher 6 zum Kühlen und/oder mehrere WärmeLauscher 6 zum Aufwärmen des Sauerstoffs
verwendet werden. Hierbei kann jeweils ein Teil auf Grundlast und der andere Teil
auf Regellast geschaltet werden.
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Beispiel Im folgenden werden die Daten einer in den Fig. 2 und 3 näher
beschriebenenAusführungsform einer kombinierten Stoff-Wärme-Ubertragungseinheit
angegeben, mit welcher es möglich ist, die Körpertemper#turfeines Patienten innerhalb
10 Minuten auf 280C abzusenken und später innerhalb 20 Minuten wieder auf 370C anzuheben.
Der hierzu erforderliche Sauerstoffdurchsatz durch die Austauscheinrichtung beträgtwährend
der Abkühlt sie 780 m3/Std. und während der Aufwännphase 600 m³/Std Während de@
Kühlphase hat der Sauerstoff eine Temperatur von 20C und während der Aufwärmphase
eine Temperatur von 500C. Die pro Minute durch die Austauscheinheit gepumpte Blutmenge
betrug 4 Liter. Das Kühlen und Aufwärmen des Sauerstoffs erfolgte mit Wasser entsprechender
Temperatur.
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Die die Ubertragung bewirkende Membr#ntläche lag in Form eines Hohlfadenbündels
mit quadratischem Querschnitt vor.
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Das Hohlfadenbündel hatte folgende Abmessungen: Länge: 250 mm Außendurchmesser
der Hohl fäden: 0,6 mm Wandstärke dor Hoh@@äden: 0,@@ mm Gegenseitiger Mittenabstand
der Hohlfäden: 1,2 mm Anzahl der Hohlfäden: 0.700 (ungefähr) Gesamte Membranübertragungsfläche:
W 5 m2 (ungefähr)
fiöhe bzw. BreiteXdes Hohlfadenbündels: 124 mm.
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Querschnitt der xintritts- bzw. Austrittsöffnung für den Sauerstoff
im Gehäuse der Uber'#ragungseinheit: 3318 mma Die Anordnung det Hohlfäden im Hohlfaserbündel
war so, daß die Hohlfäden benachbarter Reihen um jeweils eine halbe Teilung versetzt
angeordnet waren, d.h. unmittelbar benachbarte Hohlfäden bilden im Querschnitt betrachtet
ein gleichs atiges Dreieck.
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Die Versuche wunden in vitro mit Kälberblut durchgeführt, das in einem
Vorlagebehälter gehalten wurde. Aus den dabei gemessenen Temperaturen und Durchsatzmengen
wurden die obengenannten Werte errechnet.
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Die mittlere stündliche Wärmeübertragungsleistung der Ubertragungseinheit
betrug in der Kühlphase 15.840 kJ.
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