DE102019112376B4 - Wärmetauscherzyklon - Google Patents
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Abstract
Wärmetauscherzyklon zum Tauschen von Wärme zwischen einem staubförmigen- bis körnigem Gut (2) und einem Gas (3), aufweisend- einen Einlass für Gas (3),- einen Auslass (4) für Gas (3),- einen Einlass (6) für das staubförmige bis körnige Gut (2),- einem Auslass (7) für das staubförmige bis körnige Gut (2), wobei der Wärmetauscherzyklon des Weiteren- einen zylindrischen Trennraum aufweist, an den sich nach unten ein konischer Trennraum anschließt, wobei der zylindrische Trennraum und der konische Trennraum ineinander übergehen, undwobei ein Tauchrohr (10) für das Gas (3) in den gemeinsamen Trennraum ragt, wobeider Einlass für das Gas als erster Einlass getrennt ist vom Einlass (6) für das staubförmige bis körnige Gut (2) als zweiter Einlass,dadurch gekennzeichnet, dassder zweite Einlass (6) für das staubförmige bis körnige Gut (2) am Dach (11) des zylindrischen Trennraums angeordnet ist, wobeiunterhalb des zweiten Einlasses (6) für das staubförmige bis körnige Gut (2) ein Konus und/oder ein konvexer Körper angeordnet ist, über welchen das staubförmige bis körnige Gut (2) in den gemeinsamen Trennraum rutscht,der Konus und/oder der konvexe Körper als doppelte Dachfläche (111) ausgebildet sind,wobei die zwei Dachflächen (112, 113) voneinander beabstandet sind und als obere Dachfläche (112) und untere Dachfläche (113) zwischen sich eine konische Ringspaltdüse (114) ausbilden, undwobei eine von außen in die Ringspaltdüse (114) einmündende Zuleitung (115) verdichtetes Gas (116) in die konische Ringspaltdüse (114) führt,wobei die obere Dachfläche (112) als Rutsche für das staubförmige bis körnige Gut (2) wirkt, und wobeidie Ringspaltdüse (114) das aus ihr austretende Gas (116) gleichmäßig im gemeinsamen Trennraum verteilt,wodurch das verdichtete Gas (116) das staubförmige bis körnige Gut (2) mit sich mitreisst und ebenfalls im gemeinsamen Trennraum verteilt.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscherzyklon zum Tauschen von Wärme zwischen einem staubförmigen bis körnigem Gut und einem Gas, aufweisend einen Einlass für Gas, einen Auslass für Gas, einen Einlass für das staubförmige bis körnige Gut, einem Auslass für das staubförmige bis körnige Gut, wobei der Wärmetauscherzyklon des Weiteren einen zylindrischen Trennraum aufweist, an den sich nach unten ein konischer Trennraum anschließt, wobei der zylindrische Trennraum und der konische Trennraum ineinander übergehen, und wobei ein Tauchrohr für das Gas in den gemeinsamen Trennraum ragt.
- Bei der Herstellung von Zementklinker aus einer Mischung aus gemahlenem, kalkhaltigem Gestein und gemahlenem und silikathaltigem Gestein wird das sogenannte Rohmehl in der Staubphase einer Wärmebehandlung in einem Gasstrom unterzogen und danach in einem Drehrohrofen gesintert. Das Rohmehl befindet sich dabei in einem großen Teil der Anlage in einem heißen Gas suspendiert vor. Einer typischen Anlage zur Herstellung von Zementklinker werden täglich zwischen 1.000 t und 10.000 t Zementklinker hergestellt, wobei der Zementklinker innerhalb der Anlage in Gas suspendiert durch einen Zyklonwärmetauscher transportiert wird.
- Durch die großen Mengen an Zementklinker, die in der Anlage transportiert werden, ist man daran interessiert, nicht nur die Wärme zur Wärmebehandlung, sondern auch noch Druckverluste beim pneumatischen Transport möglichst gering zu halten. Die Suspendierung des Rohmehls in der Luft erfordert ein Mehrfaches der Energie zum mechanischen Heben des Staubs mit Gas als wenn dieser mit einem Aufzug oder mit einem Transportband gehoben würde. In Folge dessen werden die zum Einsatz gebrachten Wärmetauscherzyklone strömungsoptimiert. Am gasströmungsseitig oberen Ende eines Zyklonwärmetauschers, der aus mehreren in Reihe geschalteten Wärmetauscherzyklonen besteht, befindet sich zum Abtrennen des Heißgases von dem im Wärmetauscher suspendierten Gas ein Staubabscheider, die in der Regel als parallellaufende Zwillingsabscheider geschaltet sind. Staubabscheider sind dafür ausgelegt, aus einem Gasstrom darin suspendierte Staubteilchen von weniger als 100 µm oder körnige Substanzen mit einem Durchmesser von bis zu 500 µm aus dem Gasstrom abzuscheiden, Staubabscheider, die nach dem Zyklonprinzip arbeiten, führen einen gemeinsamen Gas und Staub- und Partikelstrom dem Zyklon zu und trennen den gemeinsamen Staub-/Partikel und Gasstrom in einen vereinzelten Staub-/Partikelstrom und in einen Gasstrom auf. Das Abscheideprinzip wird in einem Zyklonwärmetauscher zum Wärmetauschen verwendet. Dabei wird der stets in vereinzelte Ströme aufgeteilte Staub-/Partikelstrom stets wieder mit dem Gaststrom vereint und erneut getrennt.
- Der in Materialstromrichtung erste Zyklon arbeitet auch nach diesem Prinzip. Die Aufgabe des Rohmehls in den zuvor genannten Mengen von 1.000 t bis 10.000 t pro Tag in den im Zyklonwärmetauscher ersten Zyklon führt zu einem erheblichen Druckverlust, der durch entsprechende Ventilatoren ausgeglichen werden muss, wobei der Ausgleich des Druckverlustes nicht unerhebliche Mengen nicht rekuperierbare elektrische Energie verzehrt.
- In der deutschen Übersetzung
DE 689 02 919 T2 des Europäischen PatentsEP 0 403 545 B1 wird ein Wärmetauscher in Zyklonform offenbart. In diesen Zyklon treten Gas und Material über getrennte Zuleitungen ein, durchlaufen im Zyklon eine intensiven Kontakt und verlassen anschließend den Zyklon über voneinander getrennte Ausgänge. - In der britischen Patentschrift
GB 300,841 - Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscherzyklon für einen Zyklonwärmetauscher mit verbessertem Wärmeübergang vom Gas auf das staubförmige Material zur Verfügung zu stellen, dessen Druckverlustkennzahl gegenüber Wärmetauscherzyklonen aus dem Stand der Technik verringert ist.
- Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmetauscherzyklon mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 1 angegeben.
- Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass der Wärmetauscherzyklon insgesamt mindestens vier ein- und Ausgänge aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass der Einlass für das staubförmige bis körnige Gut als zweiter Einlass getrennt ist vom Einlass für das Gas als erster Einlass. Anders als es im Stand der Technik vorgesehen ist, nämlich Zyklonen, die seit über 100 Jahren verbaut werden, ist nach der Erfindung vorgesehen, den Einlass für den Gasstrom und den Staub-/Partikelstrom aufzutrennen in zwei unterschiedliche Einlassströme. Da in einem Wärmetauscherzyklon nicht das vorrangige Ziel ist, eine Stab-/Partikel-Gas-Suspension aufzutrennen und dabei möglichst staub-/partikelfreies Gas zu erhalten, sondern vorrangig vorgesehen ist, die Wärme von dem Gas auf den Staub / die Partikel zu übertragen, ist hier eine andere Führung des Gasstroms und des Staub-Partikelstroms vorgesehen.
- In erster Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Einlass für das Gas in den Wärmetauscherzyklon als tangentiale Öffnung im Teil der Wandung des zylindrischen Teils des gemeinsamen Trennraums ausgebildet ist. Durch die tangentiale Öffnung wird eine Ringströmung im Wärmetauscherzyklon erzeugt, die hilft, trotz guter Wärmeübertragung zu einer Trennung von Gas und staubförmigem bis körnigem Gut führt.
- Nach der Erfindung ist des Weiteren vorgesehen, dass der zweite Einlass für das staubförmige bis körnige Gut am Dach des zylindrischen Trennraums angeordnet ist, wobei unterhalb des zweiten Einlasses für das staubförmige bis körnige Gut ein Konus und/oder ein konvexer Körper angeordnet ist, über welchen das staubförmige bis körnige Gut in den gemeinsamen Trennraum rutscht. Der Konus und/oder der konvexe Körper hilft, das staubförmige bis körnige Gut gleichmäßig im zylindrischen Teil des gemeinsamen Trennraums zu verteilen.
- In vorteilhafter Weise ist der Konus und/oder der konvexe Körper als Dach des Tauchrohres ausgebildet ist. Der Konus beziehungsweise der konvexe Körper kann durch das Tauchrohr in Position gehalten werden.
- Nach der Erfindung ist außerdem noch vorgesehen, dass der Konus und/oder der konvexe Körper als doppelte Dachfläche ausgebildet sind, wobei die zwei Dachflächen voneinander beabstandet sind und als obere Dachfläche und untere Dachfläche zwischen sich eine konische Ringspaltdüse ausbilden, und wobei eine von außen in die Ringspaltdüse einmündende Zuleitung Fördergas in die konische Ringspaltdüse führt, wobei die obere Dachfläche als Rutsche für das staubförmige bis körnige Gut wirkt, und wobei die Ringspaltdüse das aus ihr austretende verdichtete Gas gleichmäßig im gemeinsamen Trennraum verteilt, wodurch das verdichtete Gas das staubförmige bis körnige Gut mit sich mitreisst und ebenfalls im gemeinsamen Trennraum verteilt. Die durch die zwei beabstandeten Dachflächen erzeugte Düse verteilt durchströmendes Gas gleichmäßig zu allen Seiten in den zylindrischen Trennraum, so das mitgerissenes staubförmiges bis körniges Gut gleichmäßig im Trennraum verteilt wird und so eine bestmögliche Wärmeübertragung stattfindet.
- Um in dem austretenden Gas einen Drall zu erzeugen ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass zwischen den zwei beiden Dachflächen mindestens ein spiralförmiges Leitblech angeordnet ist, welches das verdichtete Gas mit einer radialen Richtungskomponente in den gemeinsamen Trennraum leitet. Das austretende gas tritt somit mit einer radialen Richtungskomponente in den zylindrischen Trennraum des gemeinsamen Trennraums und erzeugt so eine Kreisbahn des Gases und des staubförmigen bis körnigen Gutes. Die Kreisbahn unterstützt eine optimale Trennwirkung des Zyklons.
- In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Auslass für Gas zum Auslassen des Gases aus dem Wärmetauscherzyklon als erster Auslass am unteren Ende des Tauchrohrs angeordnet ist, wobei das Tauchrohr aus der Wandung des konischen Trennraums aus dem gemeinsamen Trennraum herausgeführt ist. Anders als im Stand der Technik ist es vorgesehen, dass das Gas den Zyklon nach unten verlässt und nicht durch ein Tauchrohr nach oben geleitet wird. Diese Ausführung erlaubt einen noch größeren Querschnitt für das Tauchrohr als dies üblicherweise in Zyklonen zu finden ist, wodurch der Druckverlust des Wärmetauscherzyklons verringert wird. Die wesentliche Verringerung des Druckverlustes wird jedoch dadurch erzielt, dass die Hebearbeit für das Rohmehl durch das Fördergas in dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherzyklon entfällt.
- Für eine druckverlustarme Gasführung kann vorgesehen sein, dass das Tauchrohr mindestens eine radiale Einmündungsöffnung aufweist, welches über ein optionales, mindestens ein korrespondierendes Leitblech das Gas aus dem Trennraum in tangentialer Richtung in das Tauchrohr führt, wobei die radiale Einmündungsöffnung in dem zylindrischen Trennraum des gemeinsamen Trennraums angeordnet ist. Der obere zylindrische Trennraum bietet mehr Platz, so dass eine größere Öffnung für das Gas vorgesehen sein kann.
- In besonderer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscherzyklon als Zwillingszyklon mit gegenläufiger Rotationrichtung des einströmenden Gases ausgebildet ist.
- Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
-
1 eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauscherzyklons, -
2 der Wärmetauscherzyklon aus1 in einer durchbrochenen Ansicht, -
3 eine Detaildarstellung aus2 , -
4 die Detaildarstellung aus3 in einer Ansicht von oben, -
5 ein erfindungsgemäßer Wärmetauscherzyklon in einer ersten Ausgestaltung der Gutaufgabe mit drei Einlässen für das Gut, -
6 ein erfindungsgemäßer Wärmetauscherzyklon in einer zweiten Ausgestaltung der Gutaufgabe mit vier Einlässen für das Gut, -
7 ein erfindungsgemäßer Wärmetauscherzyklon in einer dritten Ausgestaltung der Gutaufgabe mit einem ringförmigen Einlass für das Gut, -
8 eine Anlage zur Herstellung von Zement, in dem der Wärmetauscherzyklon Einsatz findet, -
9 ein Staubabscheider als Wärmetauscherzyklon aus dem STAND DER TECHNIK, -
10 eine Skizze der Staubabscheiders aus9 in durchbrochener Ansicht aus dem STAND DER TECHNIK. - In
9 ist der Entstauber 301 als Wärmetauscherzyklon aus dem STAND DER TECHNIK mehr im Detail skizziert. Zur Aufgabe des kalten Rohmehls wird das Rohmehl in die Gaszufuhr zum Entstauber in der Rohmehlaufgabe 311 in die Gasleitung 310 aufgegeben. Zusammen mit dem Gas tritt das Rohmehl in die beiden Entstauber 301 über den gemeinsamen Einlass 312 für Staub und Gas ein und wird dort wieder vom Gas getrennt, wobei sich das Rohmehl erstmalig erwärmt. Das Gas tritt dabei über die Abluftleistung 314 aus dem Entstauber 314 aus. - In
10 ist schließlich eine Prinzip-Skizze zur Darstellung der Funktionsweise eines Entstaubers 301 als erster Wärmetauscherzyklon in einem Zyklonwärmetauscher 302 dargestellt. Über einem gemeinsamen Einlass für Gas und Staub tritt das Gas und der Staub in den Zyklon ein und wird dort durch die tangentiale Einführung auf eine Kreisbahn geführt. Auf dem Weg nach unten verjüngt sich der Zyklon und das Tauchrohr 320 umlaufende Gas / Staub-gemisch erhöht dabei seine Winkelgeschwindigkeit, wodurch sich der Staub mit höherer Dichte an der Wand des Konus anreichert und nach unten hin als Rohmehl austritt. Das Gas hingegen strömt durch das zentrale Tauchrohr 320 nach oben aus dem Zyklon heraus. Der erfindungsgemäße Wärmetauscherzyklon soll diesen ersten Zyklon des Zyklonwärmetauschers 302 ersetzen. Dabei ist vorgesehen, dass das Rohmehl nicht zusammen mit dem Gas in den Wärmetauscherzyklon eintritt, sondern getrennt voneinander über verschiedene Einlässe in den Wärmetauscherzyklon 1 eintritt. Durch die andere Bauweise wird erreicht, dass der Druckverlust dieser ersten Stufe erheblich verringert wird. - In
1 ist ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher dargestellt. Aus der Gasleitung 130 wird über einen Bypass 140 Gas abgezogen, das durch einen hier nur als skizziertes Element dargestellten Ventilator 141 gefördert wird. Die Größenverhältnisse sind hier zur Wahrung der Skizzenfunktion nicht einheitlich. Das durch Ventilator 141 geförderte Gas 166 strömt durch die Zuleitung 115 in eine Ringdüse 114, der doppelten Dachfläche 111, die aus zwei beanstandeten Dachflächen 112 und 113 besteht. Das Gut 2 fällt dabei durch eine ringförmige Öffnung, die die Zuleitung 115 umgibt, auf die obere Dachfläche 112 der doppelten Dachfläche 111. Zwischen den beiden Dachflächen 112 und 113 sind Leitbleche 117 angeordnet, die das einströmende, verdichtete Gas 116 auf eine tangentiale Bahn leiten und somit die Ausbildung eines Zyklons im Wärmetauscherzyklon unterstützen. Das aus der doppelten Dachfläche 111 aus Ringdüse 114 austretende verdichtete Gas hilft, das Gut 2 möglichst rasch im Wärmetauscherzyklon zu verteilen und in dem Gas 116 zu suspendieren, wie es in5 in der durchbrochenen Ansicht skizziert ist. eingezeichnet ist der Weg des verdichteten Gases 116 das ringförmig mit einer Tangentialkomponente in den zylindrischen Trennraum gelangt. Die doppelte Dachfläche, die auf dem Tauchrohr 10 aufsitzt, ist in6 vergrößert und vereinzelt dargestellt. In5 ist dargestellt, dass das verdichtete Gas 116 in die Zuleitung 115 eintritt und zwischen der oberen Dachfläche und der unteren Dachfläche 113 ringförmig austritt, dargestellt durch die Pfeile 116. Dabei sorgt mindestens ein Leitblech 117 für eine Strömungslenkung in eine tangentiale Umfangsrichtung des verdichteten Gases 116. - In
2 ist die doppelte Dachfläche mit Blick auf die obere Dachfläche 112 skizziert. Die Spirallinien entsprechendem Verlauf der Leitbleche 117, die hier in einer Mehrzahl angeordnet sind. - In den Figuren
3 ,4 und5 sind drei verschiedene Varianten einer Gutaufgabe skizziert. In Figur geschieht die Gutaufgabe für Gut 2 durch auf einem Kreis angeordnete Zuleitungen, durch die Gut 2 in den Wärmetauscherzyklon aufgegeben wird. In6 ist eine Ausgestaltung des Wärmetauscherzyklons dargestellt, der vier Zuleitungen. Schließlich ist in7 dargestellt, dass die Gutaufgabe auch durch eine ringförmige Zuleitung für Gut 2 geschehen kann. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Zyklonwärmetauscher
- 2
- Gut
- 3
- Gas
- 4
- Auslass für Gas
- 5
- Einlass für Gas
- 6
- Einlass für Gut
- 7
- Auslass für Gut
- 8
- zylindrischer Trennraum
- 9
- konischer Trennraum
- 10
- Tauchrohr
- 11
- Dach
- 12
- Konus
- 14
- Wandung
- 15
- Einlass in Tauchrohr
- 16
- Einmündungsöffnung
- 17
- Leitblech
- 18
- tangentiale Öffnung
- 19
- Wandung
- 20
- Boden
- 111
- doppelte Dachfläche
- 112
- obere Dachfläche
- 113
- untere Dachfläche
- 114
- Ringspaltdüse
- 115
- Zuleitung
- 116
- gefördertes Gas
- 117
- Leitblech
- 118
- tangentiale Öffnung
- 130
- Gasleitung
- 140
- Bypass
- 141
- Ventilator
- 200
- Zwillingszyklon
- 300
- Anlage zur Herstellung von Zementklinker
- 301
- Staubabscheider
- 302
- Wärmetauscher
- 303
- Wirbelkammer
- 304
- Calcinator
- 305
- Drehrohrofeneinlaufkammer
- 306
- Drehrohrofen
- 307
- Klinkerkühler
- 310
- Gasleitung
- 311
- Rohmehlaufgabe
- 312
- Einlass für Staub und Gas
- 314
- Abluftleitung
- 315
- Konus
- 320
- Tauchrohr
Claims (8)
- Wärmetauscherzyklon zum Tauschen von Wärme zwischen einem staubförmigen- bis körnigem Gut (2) und einem Gas (3), aufweisend - einen Einlass für Gas (3), - einen Auslass (4) für Gas (3), - einen Einlass (6) für das staubförmige bis körnige Gut (2), - einem Auslass (7) für das staubförmige bis körnige Gut (2), wobei der Wärmetauscherzyklon des Weiteren - einen zylindrischen Trennraum aufweist, an den sich nach unten ein konischer Trennraum anschließt, wobei der zylindrische Trennraum und der konische Trennraum ineinander übergehen, und wobei ein Tauchrohr (10) für das Gas (3) in den gemeinsamen Trennraum ragt, wobei der Einlass für das Gas als erster Einlass getrennt ist vom Einlass (6) für das staubförmige bis körnige Gut (2) als zweiter Einlass, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einlass (6) für das staubförmige bis körnige Gut (2) am Dach (11) des zylindrischen Trennraums angeordnet ist, wobei unterhalb des zweiten Einlasses (6) für das staubförmige bis körnige Gut (2) ein Konus und/oder ein konvexer Körper angeordnet ist, über welchen das staubförmige bis körnige Gut (2) in den gemeinsamen Trennraum rutscht, der Konus und/oder der konvexe Körper als doppelte Dachfläche (111) ausgebildet sind, wobei die zwei Dachflächen (112, 113) voneinander beabstandet sind und als obere Dachfläche (112) und untere Dachfläche (113) zwischen sich eine konische Ringspaltdüse (114) ausbilden, und wobei eine von außen in die Ringspaltdüse (114) einmündende Zuleitung (115) verdichtetes Gas (116) in die konische Ringspaltdüse (114) führt, wobei die obere Dachfläche (112) als Rutsche für das staubförmige bis körnige Gut (2) wirkt, und wobei die Ringspaltdüse (114) das aus ihr austretende Gas (116) gleichmäßig im gemeinsamen Trennraum verteilt, wodurch das verdichtete Gas (116) das staubförmige bis körnige Gut (2) mit sich mitreisst und ebenfalls im gemeinsamen Trennraum verteilt.
- Wärmetauscherzyklon nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einlass für das Gas (3) in den Wärmetauscherzyklon als tangentiale Öffnung Teil der Wandung (19) des zylindrischen Teils des gemeinsamen Trennraums ausgebildet ist. - Wärmetauscherzyklon nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Konus und/oder der konvexe Körper als Dach des Tauchrohres (10) ausgebildet ist. - Wärmetauscherzyklon nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zwei beiden Dachflächen (112, 113) mindestens ein spiralförmiges Leitblech (117) angeordnet ist, welches das geförderte Gas (116) mit einer radialen Richtungskomponente in den gemeinsamen Trennraum leitet. - Wärmetauscherzyklon nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (4) für Gas (3) zum Auslassen des Gases (3) aus dem Wärmetauscherzyklon als erster Auslass am unteren Ende des Tauchrohrs (10) angeordnet ist, wobei das Tauchrohr (10) aus der Wandung des konischen Trennraums aus dem gemeinsamen Trennraum herausgeführt ist. - Wärmetauscherzyklon nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (7) für staubförmiges bis körniges Gut (2) zum Auslassen des staubförmigen bis körnigen Guts (2) als zweiter Auslass aus dem Wärmetauscherzyklon am Boden und damit an der Spitze des konusförmigen Trennraums angeordnet ist. - Wärmetauscherzyklon nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchrohr (10) mindestens eine radiale Einmündungsöffnung aufweist, welches über ein optionales, mindestens ein korrespondierendes Leitblech das Gas (2) aus dem Trennraum in tangentialer Richtung in das Tauchrohr (10) führt, wobei die radiale Einmündungsöffnung in dem zylindrischen Trennraum des gemeinsamen Trennraums angeordnet ist. - Wärmetauscherzyklon nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Zwillingszyklon mit gegenläufiger Rotationrichtung des einströmenden Gases (3) ausgebildet ist.
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