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Die Erfindung betrifft einen Anschlusstank eines mit einem fluiden Arbeitsmedium durchströmbaren Wärmeübertragers, zum Beispiel eines Verdampfers und Kühlers, wobei der Anschlusstank für eine homogene Verteilung des Medienflusses ausgebildet ist.
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Aktuelle Wärmeübertrager haben Anschlusstanks, welche das Arbeitsmedium, zum Beispiel Kühlmittel, Wasser, Kältemittel, über eine Kammer beziehungsweise ein Rohr auf die einzelnen Kühlerrohre verteilen. Um eine möglichst homogene Verteilung auf die einzelnen Kühlerrohre zu erreichen, wird das innere Volumen dieser Tanks sehr groß gewählt, was zur Reduktion der Druckverluste im Tank führt, oder es werden Drosseln, Turbulatoren oder Blenden in Längsrichtung des Tanks eingesetzt.
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Der Einsatz eines großen Tanks zur Reduktion der Druckverluste und Verringerung der dynamischen Strömungseffekte erhöht die Baugröße des Tanks. Bei Verwendung von Kältemittel wie zum Beispiel R744 (CO2), führt ein großes Innenvolumen zu sehr hohem Materialeinsatz und Gewicht aufgrund der benötigten Berstdruckfestigkeit. Der Einsatz von Blenden/Drosseln/Turbulatoren in Strömungsrichtung kann nur zweiphasige Strömungen wieder vermischen oder Strömung in Längsrichtung „androsseln“. Eine individuelle Aufteilung des Mediums auf jedes Kühlerrohr ist nicht möglich.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der gleichmäßigen Verteilung des Mediums auf die einzelnen Wärmeübertragungs- beziehungsweise Kühlrohre.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 ausgebildeten Anschlusstank eines mit einem fluiden Arbeitsmedium durchströmbaren Wärmeübertragers gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß umfasst der Anschlusstank eines mit einem fluiden Arbeitsmedium durchströmbaren Wärmeübertragers Folgendes:
- • eine erste Fluid-Kammer mit einem Einlass für das Zuführen des fluiden Arbeitsmediums in den Anschlusstank,
- • eine zweite Fluid-Kammer mit einem Anschlussbereich für die Herstellung einer fluiden Verbindung zur Wärmeübertragungsmatrix des Wärmeübertragers,
- • ein Verteilungselement mit einer Mehrzahl an Öffnungen, über das die erste Fluid-Kammer und die zweite Fluid-Kammer in einer fluiden Verbindung stehen, für eine homogene Verteilung des Medienflusses.
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Konzeptionsgemäß umfasst der Anschlusstank zwei Fluid-Kammern, welche über ein individuell angepasstes Verteilungselement verbunden sind. In der ersten Fluid-Kammer wird das Arbeitsmedium gesammelt und durch das Verteilungselement in die zweite Kammer geführt. Aus der zweiten Kammer wird das Medium in die Wärmeübertragungsrohre der Wärmeübertragungsmatrix, zum Beispiel Kühlerrohre, aufgeteilt. Das Arbeitsmedium muss auf dem Strömungsweg von der ersten in die zweite Fluid-Kammer durch das Verteilungselement strömen. Vorzugsweise ist der Wärmeübertrager ein Kühler oder Verdampfer mit einem Kältemittel als Arbeitsmedium.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen in einer sehr homogenen Verteilung des Mediums auf die einzelnen Wärmeübertragungs- beziehungsweise Kühlerrohre. Dadurch ist sowohl ein sehr effizienter Betrieb als auch eine gute Temperaturverteilung möglich.
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Der Anschlusstank weist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zumindest eine Aufnahme für das Einsetzen des Verteilungselementes auf, wobei das Verteilungselement austauschbar ist. Das Verteilungselement kann dabei zum Beispiel als Lochblech oder als Blech mit geformten Düsen ausgebildet sein.
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Alternativ kann das Verteilungselement als Stanzung in einer Trennwand zwischen der ersten Fluid-Kammer und der zweiten Fluid-Kammer innerhalb eines extrudierten Zweikammerprofils ausgebildet sein.
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Entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung ist in den Einlass des Anschlusstanks ein Injektionsrohr eingeführt. Dadurch kann der eigentliche Einlass des Arbeitsmediums weiter in das Innere des Anschlusstanks verlegt werden, vorzugsweise von der Stirnseite bis in die Mitte der ersten Fluid-Kammer, jeweils bezogen auf die Längsrichtung der kanalförmigen Fluid-Kammer. Das Injektionsrohr kann in seiner Rohrwand Öffnungen zur Verteilung des fluiden Arbeitsmediums aufweisen.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der Anschlusstank als Einkammertank geformt, wobei der erfindungsgemäße Zweikammertank erst durch Einführen eines Injektionsrohres in den Einlass des Anschlusstanks entsteht, wobei das Injektionsrohr mit Öffnungen zur Verteilung des Arbeitsmediums versehen ist. Dabei befindet sich die erste Fluid-Kammer innerhalb des Rohres und die zweite Fluid-Kammer zwischen der Außenseite des Rohres und dem Anschlussbereich für die Herstellung einer fluiden Verbindung zur Wärmeübertragungsmatrix. Die Rohrwand des Injektionsrohres mit den Öffnungen zur Verteilung des Arbeitsmediums bildet somit das Verteilungselement.
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Der Anschlussbereich weist vorzugsweise Öffnungen in der Wand des Anschlusstanks auf, an denen Wärmeübertragungsrohre der Wärmeübertragungsmatrix anschließbar sind.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1A: eine schematische Darstellung einer idealen Verteilung des Massenstroms eines fluiden Arbeitsmediums innerhalb eines Wärmeübertragers,
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1B: eine schematische Darstellung einer realen Verteilung des Massenstroms eines fluiden Arbeitsmediums innerhalb eines Wärmeübertragers nach dem Stand der Technik,
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2A: einen Anschlusstank für ein fluides Arbeitsmedium mit zwei Fluid-Kammern und einem Verteilungselement zwischen den Fluid-Kammern,
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2B: einen Anschlusstank für ein fluides Arbeitsmedium mit zwei Fluid-Kammern, einem Verteilungselement zwischen den Fluid-Kammern sowie einem zusätzlichen Injektionsrohr am Einlass,
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3A: eine Seitenansicht auf zwei Anschlusstanks, wovon ein Anschlusstank durch ein Verteilungselement in zwei Kammern geteilt ist,
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3B: eine schematische Darstellung des Aufbaus und die Ausrichtung eines Verteilungselements oberhalb einer Reihe von Wärmeübertragungsrohren,
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3C: eine perspektivische Außenansicht auf einen Wärmeübertrager mit Wärmeübertragungsrohren und beidseitig angebrachten Anschlusstanks,
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4A: Perspektivdarstellung von zwei Anschlusstanks mit angeschlossenen Wärmeübertragungsrohren und einem in einem Anschlusstank eingesetzten Verteilungselement,
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4B: eine perspektivische Außenansicht auf einen Wärmeübertrager mit Wärmeübertragungsrohren und beidseitig angebrachten Paaren von Anschlusstanks mit Aufnahmen für einsetzbare Verteilungselemente in jeweils einem Anschlusstank pro Paar,
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5: eine perspektivische Ansicht eines Paares von Anschlusstanks mit einem zusätzlichen Injektionsrohr in einem der Anschlusstanks und
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6: eine perspektivische Ansicht eines Paares von Anschlusstanks in Form von extrudierten Zweikammerprofilen mit Stanzungen zwischen den Fluid-Kammern.
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Die Figuren 1A und 1B illustrieren schematisch die Verteilung der Strömung des Arbeitsmediums durch einen Wärmeübertrager 1, welcher zwei gegenüberliegende Anschlusstanks 2.1 und 2.2 umfasst, welche über eine Wärmeübertragungsmatrix 3 in fluider Verbindung stehen. Dabei zeigt die 1A eine ideale Strömung des fluiden Arbeitsmediums 4, ausgehend von einem ersten Anschlusstank 2.1 mit einem Einlass 5 für das fluide Arbeitsmedium 4, durch eine Mehrzahl von parallelen Strömungswegen der Wärmeübertragungsmatrix 3 zu einem zweiten Anschlusstank 2.2 mit einem Auslass 6 für das fluide Arbeitsmedium 4. Dabei strömt das Arbeitsmedium 4 mit einer über alle Strömungswege der Wärmeübertragungsmatrix 3 idealen, gleichmäßigen Verteilung, wobei das entsprechende Strömungsprofil 7a des Arbeitsmediums schematisch als Rechteck dargestellt ist. Die 1B zeigt ein Strömungsprofil 7b mit einer realen, ungleichen Verteilung des fluiden Arbeitsmediums 4 über die parallelen Strömungswege der Wärmeübertragungsmatrix 3, dargestellt als Kurve.
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Die Figuren 2A und 2B zeigen schematisch Ausführungsbeispiele der vorliegende Erfindung. Dabei ist jeweils ein Anschlusstank 2.1 eines mit einem fluiden Arbeitsmedium 4 durchströmbaren Wärmeübertragers 3 vorgesehen, wobei der Anschlusstank 2.1 Folgendes umfasst:
- • eine erste Fluid-Kammer 8 mit einem Einlass 5 für das Zuführen des fluiden Arbeitsmediums 4 in den Anschlusstank 2.1,
- • eine zweite Fluid-Kammer 9 mit einem Anschlussbereich 10 für eine fluide Verbindung des Anschlusstanks 2.1 zur Wärmeübertagungsmatrix 3 des Wärmeübertragers 1,
- • ein Verteilungselement 11 mit einer Mehrzahl an Öffnungen 12, über das die erste Fluid-Kammer 8 und die zweite Fluid-Kammer 9 in einer fluiden Verbindung stehen.
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An den Anschlussbereich 10 ist eine Mehrzahl von parallelen Rohren 13 angeschlossen, die die Wärmeübertragungsmatrix 3 bilden, womit eine fluide Verbindung zwischen dem Anschlusstank 2.1 und der Wärmeübertragungsmatrix 3 besteht. Das Verteilungselement 11 ist bevorzugt in Form einer austauschbaren Injektions-/Drosselungseinrichtung für das fluide Arbeitsmedium 4 ausgeführt.
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Die 2B zeigt eine Ausführungsform, bei der am Einlass 5 ein zusätzliches Injektionsrohr 14, das heißt ein Rohr mit Öffnungen zur Verteilung des fluiden Arbeitsmediums 4 vorgesehen ist, welches von einer Stirnseite der kanalartigen ersten Fluid-Kammer 8 bis in deren Mitte hineinragt, bezogen auf die Längsrichtung der Fluid-Kammer 8. Dieses Injektionsrohr 14 bildet somit eine weitere Fluid-Kammer, die in einem Einkammer-Anschlusstank auch als erste Fluid-Kammer fungieren kann (in 2B nicht dargestellt).
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Wärmeübertrager 1 ein Verdampfer und das fluide Arbeitsmedium 4 ein Kältemittel, wobei die parallelen Rohre 13 der Wärmeübertragungsmatrix 3 Kühlrohre sind.
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Die 3A zeigt eine Seitenansicht auf zwei Anschlusstanks 2, die in Form von aneinanderliegenden Kanälen parallel zueinander ausgerichtet sind. Beide Anschlusstanks 2 weisen jeweils einen Anschlussbereich 10 für eine Reihe von senkrecht zur Kanallängsachse ausgerichteten, parallelen Wärmeübertragungsrohren 13 auf. Dafür sind Öffnungen in der Wand 15 des Anschlusstanks 2 vorgesehen, durch die Wärmeübertragungsrohre 13 mit jeweils einem ihrer Enden durchgeführt sind. Die Wärmeübertragungsrohre 13 sind gemäß 3A als Flachrohre ausgeführt.
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In einem der Anschlusstanks 2, dem Anschlusstank 2.1, sind an den seitlichen gegenüberliegenden Innenwänden 16 jeweils Paare von Vorsprüngen 17 ausgebildet, wobei jedes Paar eine Aufnahme 18 für eine Längsseite des Verteilungselements 11 bereitstellt. Somit kann das Verteilungselement 11 in die gegenüberliegenden Aufnahmen 18 eingeführt werden. Auf diese Weise wird der Anschlusstank 2.1 in zwei übereinanderliegende Fluid-Kammern 8, 9 unterteilt.
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In der ersten Fluid-Kammer 8 wird das Arbeitsmedium gesammelt und durch das Verteilungselement 11 in die zweite Fluid-Kammer 9 geführt. Aus der zweiten Fluid-Kammer 9 wird das Arbeitsmedium in die Wärmeübertragungsrohre 13 aufgeteilt. Das Arbeitsmedium muss auf dem Strömungsweg von der ersten Fluid-Kammer 8 in die zweite Fluid-Kammer 9 durch das Verteilungselement 11 strömen.
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Die 3B zeigt schematisch in einer perspektivischen Darstellung den Aufbau und die Ausrichtung eines Verteilungselements oberhalb einer Reihe von Wärmeübertragungsrohren 13 innerhalb des Anschlusstanks. Zur besseren Veranschaulichung wurden in dieser schematischen Darstellung die Seitenwände des Anschlusstanks ausgespart. Das Verteilungselement 11 ist dabei als Lochblech ausgebildet. Bei diesem Lochblech sind die Öffnungen 12 derart angeordnet, dass die einzelnen Öffnungen 12 oder quer zur Längsrichtung orientierte Reihen 19 von Öffnungen 12 in regelmäßigen Abständen über die gesamte Länge des Verteilungselements 11 verteilt sind. Das Verteilungselement 11 ist austauschbar. Die Verteilung der Öffnungen 12 kann dabei den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden. Gemäß der Darstellung in 3B wächst die Anzahl der Öffnungen 12 pro Reihe 19 von einem ersten Ende 11a des Verteilungselements 11, welches im Bereich des (nicht gezeigten) Fluid-Einlasses liegt, bis zum gegenüberliegenden zweiten Ende 11b. Somit kann eine homogenere Verteilung des Arbeitsmediums auf die einzelnen Wärmeübertragungsrohre 13, die sich gemäß der Darstellung in 3B unterhalb des Verteilungselements 11 befinden, erreicht werden.
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Die 3C zeigt eine perspektivische Außenansicht auf einen Wärmeübertrager 1 mit Wärmeübertragungsrohren 13 und beidseitig angebrachten Anschlusstanks 2, wobei das oben beschriebene Verteilungselement zumindest in einem Anschlusstank 2 eingesetzt ist (in 3C nicht sichtbar).
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Die 4A zeigt in einer Perspektivdarstellung zwei Anschlusstanks 2, die in Form von aneinanderliegenden Kanälen parallel zueinander ausgerichtet sind. Eine Außenwand 20 umschließt beide Anschlusstanks 2. Beide Anschlusstanks 2 weisen jeweils einen Anschlussbereich 10 für eine Reihe von senkrecht zur Kanallängsachse ausgerichteten, parallelen Wärmeübertragungsrohren 13 auf. Dafür sind Öffnungen 21 vorgesehen, die durch die Wand 15 des Anschlusstanks 2 und die Außenwand 20 verlaufen und durch die die Wärmeübertragungsrohre 13 mit jeweils einem ihrer Enden durchgeführt sind. Die Wärmeübertragungsrohre 13 sind gemäß 4A als Flachrohre ausgeführt. In einem der Anschlusstanks 2, dem Anschlusstank 2.1, sind an den seitlichen, gegenüberliegenden Innenwänden 16 jeweils Paare von Vorsprüngen 17 ausgebildet, wobei jedes Paar eine Aufnahme 18 für eine Längsseite des Verteilungselements 11 bereitstellt. Somit kann ein austauschbares Verteilungselement 11, welches Öffnungen 12 aufweist, in die gegenüberliegenden Aufnahmen 18 eingeführt werden. Auf diese Weise wird der Anschlusstank 2.1 in zwei übereinanderliegende Fluid-Kammern 8, 9 unterteilt. In der ersten Fluid-Kammer 8 wird das Arbeitsmedium gesammelt und durch das Verteilungselement 11 in die zweite Fluid-Kammer 9 geführt. Aus der zweiten Fluid-Kammer 9 wird das Arbeitsmedium in die Wärmeübertragungsrohre 13 aufgeteilt. Das Arbeitsmedium muss auf dem Strömungsweg von der ersten Fluid-Kammer 8 in die zweite Fluid-Kammer 9 durch die Öffnungen 12 des Verteilungselements 11 strömen.
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Die 4B zeigt eine perspektivische Außenansicht auf einen Wärmeübertrager 1 mit Wärmeübertragungsrohren 13 und beidseitig angebrachten Paaren von Anschlusstanks 2, wobei das oben beschriebene Verteilungselement in zwei Anschlusstanks 2.1, einen oberen Anschlusstank und einen unteren Anschlusstank, die jeweils einen Einlass für das Arbeitsmedium und Aufnahmen 18 für ein Verteilungselement aufweisen, einsetzbar ist.
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Eine weitere Ausführungsform ist in der 5 dargestellt, die eine perspektivische Ansicht auf ein Paar von Anschlusstanks 2 mit angeschlossenen Wärmeübertragungsrohren 13 beinhaltet. Dabei ist einer der Anschlusstanks 2, der Anschlusstank 2.1, in zwei Fluid-Kammern 8, 9 unterteilt, wobei ein in Aufnahmen 18 eingeführtes Verteilungselement 11 die Trennwand zwischen den Fluid-Kammern 8, 9 bildet. Das Verteilungselement 11 weist über seine gesamte Länge verteilt eine Mehrzahl an Öffnungen 12 auf, über das die erste Fluid-Kammer 8 und die zweite Fluid-Kammer 9 in einer fluiden Verbindung stehen. Die zweite Fluid-Kammer 9 weist einen Anschlussbereich 10 auf, an den eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsrohren 13 angeschlossen ist. Dazu weist die Wand des Anschlusstanks 2 im Anschlussbereich 10 eine Mehrzahl von Öffnungen 21 auf, durch die die Wärmeübertragungsrohre 13 jeweils mit einem ihrer Enden durchgeführt sind. Die erste, untere Fluid-Kammer 8 weist einen Einlass 5 für das Zuführen des fluiden Arbeitsmediums in den Anschlusstank 2.1 auf. In der in 5 dargestellten Ausführungsform, die im Wesentlichen der in 2B gezeigten Variante entspricht, ist in den Einlass 5 ein zusätzliches Injektionsrohr 14 eingeführt, wodurch der eigentliche Einlass des Arbeitsmediums weiter in das Innere des Anschlusstanks 2 verlegt wird, vorzugsweise von der Stirnseite bis in die Mitte der kanalartigen ersten Fluid-Kammer 8, jeweils bezogen auf die Längsrichtung der Fluid-Kammer 8.
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Die 6 zeigt ein Paar von Anschlusstanks 2.1, bei dem jeder Anschlusstank 2.1 ein extrudiertes Zweikammerprofil mit zwei übereinanderliegenden Fluid-Kammern 8, 9, die durch eine dazwischenliegende Trennwand 22 voneinander getrennt sind, aufweist. Das Verteilungselement 11 mit einer Vielzahl von Öffnungen 12 ist in dieser Ausführung als Stanzung in der Trennwand 22 realisiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmeübertrager
- 2
- Anschlusstank
- 2.1
- Anschlusstank (mit Einlass für das fluide Arbeitsmedium und mit zwei Fluid-Kammern)
- 2.2
- Anschlusstank (mit Auslass für das fluide Arbeitsmedium)
- 3
- Wärmeübertragungsmatrix
- 4
- fluides Arbeitsmedium
- 5
- Einlass
- 6
- Auslass
- 7a
- Strömungsprofil (mit idealer, gleichmäßiger Verteilung)
- 7b
- Strömungsprofil (mit realer, ungleichmäßiger Verteilung)
- 8
- erste Fluid-Kammer
- 9
- zweite Fluid-Kammer
- 10
- Anschlussbereich
- 11
- Verteilungselement
- 12
- Öffnungen (des Verteilungselements)
- 13
- Wärmeübertragungsrohre
- 14
- Injektionsrohr
- 15
- Wand
- 16
- Innenwand
- 17
- Vorsprünge
- 18
- Aufnahmen (für das Verteilungselement 11)
- 19
- Reihen (von Öffnungen)
- 20
- Außenwand
- 21
- Öffnungen
- 22
- Trennwand
