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Die
Erfindung betrifft einen Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher
mit mehreren modularen Wärmetauscherplatten
die einen Wärmeaustausch
zwischen einem Gas und einer Wärmeträgerflüssigkeit bewirken
können,
wobei der Wärmetauscher
vorzugsweise, aber nicht einschränkend,
in Boilern, zum Beispiel in Vormisch-Boilern und Kondensations-Boilern,
eingesetzt wird.
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Die
Erfindung betrifft auch einen Boiler, der mit einem solchen Wärmetauscher
ausgerüstet
ist, sowie eine modulare Wärmetauscherplatte,
die dazu geeignet ist, den beschriebenen Wärmeaustausch zu bewirken.
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Wie
allgemein auf dem Gebiet der Gas-Flüssigkeits- oder Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher
bekannt, insbesondere auf dem Gebiet der Gas-Wasser-Wärmeaustauscher
für Boiler,
ist eine der am dringlichsten erwünschten Bedürfnisse, hochwirksame Wärmetauscher
bei verringerten Kosten zu erhalten.
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Zu
diesem Zweck sind Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher
mit mehreren modularen Platten, die einstückig aus Gußeisen durch Gießen in eine
Form um einen Tonkern hergestellt und paketweise aneinander montiert
werden, seit langem bekannt. Jede Platte ist im wesentlichen von
einem Körper
mit mehreren voneinander konstruktiv unabhängigen Leitungen gebildet,
die sich parallel zueinander zwischen entgegengesetzten Enden der
Platte erstrecken. Insbesondere fördern diese Leitungen die Flüssigkeit
von einer Flüssigkeitseinlaßöffnung in
der Platte, die in einem am ersten Ende der Platte angeordneten
Sammelrohr ausgebildet ist, zu einer Auslaßöffnung der Flüssigkeit
aus der Platte in einem Sammelrohr am entgegengesetzten Ende der
Platte. Ferner sind die Leitungen generell mit Rippen zum Vergrößern der
Wärmeaustauschfläche zwischen dem
Gas und der Flüssigkeit
versehen.
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Wärmetauscher
dieser Bauart werden generell in Boilern eingesetzt, die einen atmosphärischen Brenner
haben, und oberhalb desselben montiert sind. In diesem Fall ist
das Gas durch die Verbrennungsgase gebildet, und die Wärmeträgerflüssigkeit ist
Wasser. Auf diese Weise sind ein im wesentlichen zick-zack-förmiger Flüssigkeits-Strömungspfad
(dessen horizontale Abschnitte in mehrere parallele Zweige unterteilt
sind, die in den Plattenleitungen ausgebildet sind) und ein Gas-Strömungspfad
gebildet, der die Wärmetauscherplatten
in vertikaler Richtung von unten bis oben quer durchsetzt.
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In
der Beschreibung und den nachfolgenden Ansprüchen beziehen sich die Ausdrücke „niedrig" und hoch" unterer" und oberer" unterhalb" und oberhalb" horizontal" und ver tikal" auf die modularen Platten,
den Wärmetauscher
und den Boiler wie auch auf deren Komponenten im Bezug auf deren
Position in zusammengebautem Zustand.
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Unbeachtlich
der großen
Wärmeaustauschfläche, die
durch die Rippen jeder Platte bereitgestellt wird, haben Wärmetauscher
dieser Bauart, sowie die damit ausgerüsteten Boiler Probleme, die
bisher nicht gelöst
sind.
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Erstens
erzeugt die parallele Anordnung der Leitungen für die Flüssigkeitszirkulation in jeder
Wärmeaustauschplatte
zum einen eine verringerte Flüssigkeitsgeschwindigkeit
mit einem entsprechenden Abfall des Wärmeaustausch-Wirkungsgrades
und zum anderen die Möglichkeit
daß lokale
Temperaturänderungen
auftreten können,
zum Beispiel Überhitzung
aufgrund einer ungleichmäßigen Verteilung des
Flüssigkeitsstromes
in den verschiedenen Leitungen mit negativen Auswirkungen auf die
Lebensdauer des Wärmetauschers.
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Zweitens
haben Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher,
welche durch die beschriebenen Platten gebildet sind, große Abmessungen
aufgrund des Vorhandenseins von Flüssigkeits-Sammelrohren die wie
erwähnt
an den entgegengesetzten Enden der Platten angeordnet sind.
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Drittens
erwies sich eine chemische Reinigung, die als am wirksamsten beurteilt
wurde, als extrem schwierig zu bewerkstelligen, weil die hierzu eingesetzten
Reinigungs-Fluide dazu tendieren, vorzugsweise durch diejenigen
Leitungen zu strömen, welche
den geringsten Strömungswiderstand
bieten, d.h. die am wenigsten verunreinigten Leitungen, und zwar
auf Kosten derjenigen Leitungen, welche mehr Reinigung benötigen.
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Aus
der
FR 2 310 537 A1 ist
ein Rauchgas-Wasser-Wärmetauscher
bekannt, bei dem ein im wesentlichen plattenförmiger Hohlkörper mit
einer Auslaßöffnung und
einer Einlaßöffnung versehen
ist, zwischen denen ein Flüssigkeits-Strömungspfad
gebildet ist. Zur Wärmeübertragung
strömt
Rauchluft an der Außenseite
des Hohlkörpers
von dessen einer Querseite zur anderen Querseite.
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Das
der Erfindung zugrundeliegende technische Problem besteht deshalb
darin, einen Wärmetauscher
oder eine Wärmetauscherplatte
bereitzustellen, der einen hohen Wärmetausch-Wirkungsgrad hat und die genannten Nachteile
des Standes der Technik überwindet.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ist das genannte technische Problem
durch einen Gas-Flüssigkeits-Wärmeaustauscher
gemäß den Merkmalen
von Anspruch 1 gelöst
und gemäß einem zweiten
Aspekt durch eine modulare Wärmetauscherplatte
nach den Merkmalen von Anspruch 27.
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In
der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen soll der Ausdruck "Wärmetauschelemente" Bauteile bezeichnen,
die frei von den Platten auskragen und eine solche Form und Größe haben,
daß sie
die Wärmeaustauschflächen zwischen dem
Gas und der Flüssigkeit
vergrößern. Als
ein nicht beschränkendes
Beispiel können
solche Wärmetauschelemente
kegel stumpfförmig
oder zylindrisch oder im wesentlichen rippen- bzw. flossenförmig gestaltet
sein.
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In
der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen sollen die Ausdrücke „proximal" und „distal" solche Teile der
modularen Platte und des Wärmeaustauschers
bezeichnen, die nahe und jeweils auf entgegengesetzten Seiten der
Einlaß-
und Auslaßöffnungen
der Flüssigkeit
in und aus der Platte angeordnet sind.
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Dank
der Tatsache, daß die
ersten und zweiten im Hohlkörper
ausgebildeten Kanäle
in Reihe miteinander verbunden sind, ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine
größere Strömungsgeschwindigkeit und
größere Turbulenzen
der Wärmeträgerflüssigkeit im
Vergleich zu dem Wärmetauschern
nach dem Stand der Technik zu erzielen, was zu einem Anwachsen des
Wärmetauschkoeffizienten
auf der Flüssigseite
und im Ergebnis zu einer Steigerung des Gesamtwirkungsgrades des
Wärmeaustauschers führt.
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Darüberhinaus
ist der Wärmetausch-Wirkungsgrad
im Vergleich zu demjenigen, der mit herkömmlichen Wärmetauschern erzielbar ist,
dank der Tatsache weiter verbessert, daß die Flüssigkeits- und Gas-Strömungspfade
in dem Wärmetauscher
mindestens teilweise in Kreuzstrom-Beziehung zueinander stehen.
Diese Erhöhung
des Wärmetausch-Wirkungsgrades
ist im wesentlichen allen modularen Wärmetauschplatten zu verdanken,
welche den Wärmetauscher
bilden, mit Ausnahme derjenigen Platte, die im Betrieb die erste
von dem Gas umströmte
Platte darstellt, zum Beispiel in Form der Verbrennungsgase eines
Brenners, weil bei dieser Platte der Gasstrom nur teilweise quer,
d.h. im Kreuzstrom zur Strömungsrichtung
der Wärmeträgerflüssigkeit
strömt.
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Da
die Einlaß-
und Auslaßöffnungen
der Flüssigkeit
in und aus jeder modularen Platte des Wärmetauschers gemäß der Erfindung
am selben Ende der Platte (dem proximalen Ende) angeordnet sind,
hat der Wärmetauscher
der Erfindung in vorteilhafter Weise nur eine einzige Reihe von
Sammelrohren für
die Wärmeträgerflüssigkeit,
wobei diese Sammelrohre an einer einzigen Seite (der proximalen
Seite) des Wärmetauscher
paketweise gestapelt sind.
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Der
Wärmetauscher
nach der Erfindung ist deshalb kompakter als die herkömmlichen
Wärmetauscher
gleicher Wärmeleistung,
welche zwei Reihen von Sammelrohren an den entgegengesetzten Enden
der Platte benötigen.
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Ferner
ermöglicht
die Reihenanordnung der ersten und zweiten Kanäle in dem Hohlkörper der Platten
das eine wirkungsvolles chemisches Reinigen dieser Kanäle unter
Einsatz geeigneter Reinigungsfluide, zum Beispiel wässerige
Chlorwasserstofflösungen
in vorteilhafter Weise.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführung
der Erfindung erstreckt sich der Flüssigkeits-Strömungspfad
in dem Wärmetauscher
im wesentlichen in einem Zick-Zack-Pfad zwischen einer Einlaßöffnung und
einer Auslaßöffnung der
Wärmeträgerflüssigkeit in
und aus dem Wärmetauscher
und verläuft
mindestens teilweise in jeder modularen Platte in der ersten Richtung.
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Vorzugsweise
sind die Einlaß-
und Auslaßöffnungen
der Flüssigkeit
in und aus den modularen Platten in entsprechenden, strukturell
unabhängigen Einlaß- und Auslaßkammern
ausgebildet, die flüssigkeitsdicht
voneinander getrennt sind und mit einer einzigen Sammelleitung ausgerüstet sind,
die sich einstückig
vom proximalen Ende der modularen Platte erstreckt.
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Auf
diese Weise ist es mit Vorteil möglich,
die modularen Platten miteinander sehr einfach zu verbinden, d.h.
einfach dadurch, daß die
Auslaßöffnung einer
Platte und die Einlaßöffnung der
benachbarten Platte Seite an Seite auf der proximalen Seite des Wärmetauschers
plaziert werden.
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Vorzugsweise
sind die modularen Platten reziprok und fluiddicht an den Flüssigkeits-Sammelleitungen angebracht,
noch günstiger
auch an ihren Umfangsrändern
dank des Einsatzes von geeigneten umlaufenden Dichtungsmitteln,
wie beispielsweise in Form von zwischen benachbarten Platten zwischengefügten Dichtstreifen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführung
des Wärmetauschers
nach der Erfindung ist der erwähnte
mindestens eine erste Kanal in dem Hohlkörper nahe dessen einer Seitenwand
ange ordnet, während der
zweite Kanal in dem Hohlkörper
nahe einer Seitenwand entgegengesetzt dem ersten Kanal angeordnet
ist.
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Dank
dieser Kombination bevorzugter Merkmale ist es mit Vorteil möglich, einen
Fluid-Strömungspfad
zu schaffen, der nicht nur maximal das verfügbare Volumen des Hohlkörpers jeder
einzelnen Wärmetauscherplatte
ausnutzt, sondern auch einen hervorragenden Wärmeaustausch mit dem die Platte umströmenden Gas
bewirkt.
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Vorzugsweise
enthält
der Hohlkörper
ferner einen Zwischenkanal, der in Reihe mit den ersten und zweiten
Kanälen
angeordnet ist. Diese zusätzliche
Zwischenkanal ermöglicht
eine weitere Steigerung der Ausnutzung des verfügbaren Volumens in dem Hohlkörper bei
gleichzeitiger Verlängerung
des Flüssigkeits-Strompfades
in jeder Platte mit einer daraus resultierenden Erhöhung des
Wärmeaustausch-Wirkungsgrades
des Wärmetauschers.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführung
ist der erwähnte
Zwischenkanal im wesentlichen zick-zack-förmig gestaltet und erstreckt
sich längs
der Quermittelebene der modularen Platte. Auf diese Weise wird das
verfügbare
Volumen in dem Hohlkörper
maximiert, was zu einer weiteren Vergrößerung des Wärmeaustausch-Wirkungsgrades
führt.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Ausführung
kann der mindestens eine Kanal in dem Hohlkörper nahe dessen erster Stirnfläche angeordnet sein,
während
der zweite Kanal vorzugsweise in dem Hohlkörper nahe der anderen Stirnfläche gegenüber dem
ersten Kanal ausgebildet ist.
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Bei
dieser alternativen Ausführung
haben der erste Kanal, der zweite Kanal und die dazwischen angeordnete
Trennwand vorzugsweise eine Weite, die im wesentlichen der Weite
des mindestens einen Abschnittes entspricht, der mit den Wärmetauschelementen
der modularen Platte ausgerüstet
ist. Auf diese Weise ist eine maximale Wärmeaustauschfläche im Bezug
auf die Größe der Platte
in vorteilhafter Weise erzielt.
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Vorzugsweise
ist der erwähnte
mindestens eine Abschnitt mit mehreren Wärmetauschelementen versehen,
die von entgegengesetzten Stirnflächen des Hohlkörpers wegragen.
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Diese
bevorzugte Ausführung
erlaubt es, eine vorteilhafte Steigerung der verfügbaren Wärmetauschfläche für das zwischen
den Platten des Wärmetauschers
im Quer- bzw. Kreuzstrom strömende Gas
zu erzielen.
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Vorzugsweise
ist der genannte mindestens eine Abschnitt, der mit den mehreren
Wärmetauschelementen
versehen ist, unter einem vorbestimmten Winkel bezüglich der
Quermittelebene der modularen Platte geneigt. Auf diese Weise wird
das Abströmen
möglichen
Kondensationswassers längs
der durch jede Platte gebildeten Ebene erleichtert und somit der
Wärmetausch
optimiert und gleichzeitig die Platten vor einer Korrosion geschützt.
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Vorzugsweise
beträgt
dieser Winkel zwischen etwa 2° und
etwa 4°.
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Bevorzugt
sind die Wärmetauschelemente gestaffelt
in mehreren Reihen im wesentlichen parallel zur Längsachse
der modularen Platte angeordnet.
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Die
Teilung zwischen den Wärmetauschelementen
in jeder Reihe beträgt
vorzugsweise zwischen etwa 8 mm und etwa 20 mm.
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Auf
diese Weise ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine große Wärmeaustauschfläche zu gewährleisten,
während
das Risiko lokaler Wärmegradienten
minimiert ist, was zu einer gleichmäßigen Verteilung der Wärme und
im Ergebnis zu einer verlängerten
Lebensdauer des Wärmetauschers
führt.
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Vorzugsweise
sind die erwähnten
Reihen gestaffelt in Richtung im wesentlichen senkrecht zur Längsachse
der modularen Platten angeordnet. Die Teilung zwischen den Reihen
der Wärmetauschelemente
beträgt
etwa 8 mm bis etwa 20 mm.
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Vorzugsweise
umfassen die modularen Platten eine erste und eine zweite Gruppe
Reihen von Wärmetauschelementen,
wobei diese Gruppen auf entgegengesetzten Seiten der Längsachse
der modularen Platten angeordnet sind.
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Zusätzlich sind
die Reihen der ersten Gruppe vorzugsweise im Bezug auf die Reihen
der zweiten Gruppe in Richtung im wesentlichen parallel zur Längsachse
der modularen Platte versetzt, und zwar um eine Länge entsprechend
der halben Teilung der Wärmetauschelemente
der zweiten Gruppe.
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Dank
dieser Anordnung der Wärmetauschelemente
ist es, wie aus dem folgenden noch deutlicher wird, vorteilhaft,
den Wärmetauscher
durch paketweises Montieren mehrere konstruktiv identischer modularer
Platten aufzubauen: Die beschriebene Anordnung der Wärmetauschelemente
erlaubt in der Tat den Einsatz solcher Elemente zwischen denjenigen
einer benachbarten Platte durch Wenden der Platte um ihre Längsachse.
Mit anderen Worten wird jede Platte um ihre Längsachse um einen Winkel von 180° bezüglich der
benachbarten Platte von unten nach oben gewendet.
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Auf
diese Weise erlaubt der Wärmetauscher gemäß der Erfindung
eine vorteilhafte Einsparung an Herstellkosten beim gleichzeitigen
Vermeiden der Notwendigkeit für
ein Lagern unterschiedlicher Plattentypen.
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Ferner
können
dank einer derartigen Anordnung zwei weitere Vorteile gleichzeitig
erreicht werden, die darin bestehen, daß ein äußerst kompakter Wärmeaustauscher
bereitgestellt wird und daß der Wärmeaustauscher
eine gleichförmige
Geschwindigkeit der Gasströmung
bewirkt. Mit anderen Worten ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine
gleichförmige Wärmeverteilung
längs jeden
Wärmetauschelementes
und damit eine Verbesserung sowohl des Wärmeaustausch-Wirkungsgrades
eines Wärmetauschers nach
der Erfindung als auch seiner Lebensdauer zu erzielen.
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Vorzugsweise
haben die Wärmetauschelemente
einen Neigungswinkel von etwa 2° bis
etwa 5°.
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In
dieser Beschreibung und den nachfolgenden Ansprüchen bezeichnet der Ausdruck „Neigungswinkel" eines Wärmetauschelementes
den zwischen der Mantelfläche
eines Wärmetauschelementes
und der Senkrechten auf den Körper
der modularen Platte bestehenden Winkel
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführung
der Erfindung haben die Wärmetauschelemente
im wesentlichen kegelstumpfförmige
Form.
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Dank
der eingesetzten Herstelltechnologie (Sandguß) ist es in vorteilhafter
Weise möglich,
diesen Neigungswinkel bis zu den angegebenen Werten zu verringern,
was eine vorteilhafte Verringerung der Dicke des Spaltes zwischen
den Wärmetauschelementen
benachbarter modularer Platten zur Folge hat.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführung
bildet dieser Spalt-Teil des Gas-Strömungspfades, der den Wärmetauscher
kreuzt, wobei dieser Spalt im wesentlichen konstante Dicke hat.
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Vorzugsweise
liegt diese Dicke zwischen etwa 1 mm bis etwa 3 mm.
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Dank
der kegelstumpfförmigen
Gestalt der Wärmetauschelemente
wird außerdem
das Abströmen
möglichen
Kondenswassers von einer zur anderen Platte erleichtert und somit
die Wirksamkeit des Boilers optimiert, wobei gleichzeitig die Platten
vor dem Risiko der Korrosion geschützt werden. Folglich kann der
Wärmetauscher
nach der Erfindung in vorteilhafter Weise zum Zurückgewinnen
von Wärme
in Kondensations-Boilern eingesetzt werden.
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Vorzugsweise
ist der genannte Durchlaß zum
Erlauben einer Gasströmung
durch den Hohlkörper
der modularen Platte nahe deren Seitenwand ausgebildet.
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Dank
dieses Merkmals ermöglicht
die Montage der Platten gemäß der oben
beschriebenen Methode (d.h. durch Wenden der Platten um 180° von unten
nach oben bezüglich
benachbar ter Platten) das Erzielen eines im wesentlichen zick-zack-förmigen Gas-Strömungspfades
in dem Wärmetauscher, was
den Gasstrom in Richtung im wesentlichen in Quer- oder Kreuzstrom
zu der Richtung des Wärmeflüssigkeits-Strompfades
lenkt, wodurch der Wärmeaustausch
zwischen dem die Platten passierenden Gas und der in den Platten
strömenden
Flüssigkeit maximiert
wird.
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Vorzugsweise
erstreckt sich der Gas-Strompfad zumindest teilweise zwischen benachbarten modularen
Platten längs
einer zweiten, im wesentlichen senkrechten Richtung zu den ersten
und zweiten Kanälen
in den modularen Platten.
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Dank
dieser Ausrichtung des Gas-Strompfades wird die Dränage jeglichen,
sich möglicherweise bildenden
Kondensates vorteilhaft erleichtert.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt stellt die Erfindung einen Boiler bereit, der einen
Brenner und einen Wärmetauscher
wie oben beschrieben aufweist.
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Vorzugsweise
ist der Brenner von der sogenannten Vormisch-Bauart, und der Wärmetauscher ist
unterhalb des Brenners unterstützt,
so daß Letzerer
davor geschützt
ist, in Kontakt mit möglicherweise entstehenden
Kondensaten zu gelangen.
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Vorzugsweise
werden die modularen Platten des Wärmetauschers durch Gießen von
Metallen mit unterschiedlicher Wärmebeständigkeit
hergestellt und so montiert, daß die
modularen Platten aus dem Metall mit größerer Wärmebeständigkeit näher am Brenner angeordnet sind.
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Vorzugsweise
werden die modularen Platten des Wärmetauschers durch Gießen von
Metallen mit unterschiedlicher Korrosionsbeständigkeit hergestellt und so
montiert, daß die
modularen Platten aus dem Metall mit geringerer Korrosionsbeständigkeit näher am Brenner
angeordnet sind.
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Aufgrund
der zuletzt beschriebenen Ausführungen
des Brenners gemäß der Erfindung
wird in vorteilhafter Weise eine Verringerung der Materialkosten
bei Verwendung von Werkstoffen höchster Qualität erzielt,
wobei eine erhöhte
Temperatur- und/oder Korrosionsbeständigkeit nur dort erreicht wird,
wo erforderlich.
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Vorzugsweise
umfaßt
der Boiler gemäß der Erfindung
ein Sammelrohr zum Sammeln des Kondensats, wobei dieses Sammelrohr
stromabwärts von
dem Wärmetauscher
positioniert ist.
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Gemäß einem
dritten Aspekt stellt die Erfindung eine modulare Wärmetauscherplatte
bereit, die einen Wärmeaustausch
zwischen einem Gas und einer Wärmeträgerflüssigkeit
mit den oben beschriebenen Merkmalen bewirken kann.
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Zusätzliche
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführung
anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlich, wobei gleiche Bezugszeichen identische
oder gleichwirkende Teile bezeichnen.
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Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt eines Boilers mit einem Wärmetauscher
gemäß der Erfindung;
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2 eine
Ansicht einer modularen Platte des Wärmetauschers nach 1;
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3 eine
Draufsicht auf die modulare Platte nach 2;
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4 einen
Querschnitt nach der Linie I-I in 3 der modularen
Platte nach 2;
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5 eine
teilweise nach der Linie II-II in 3 geschnittene
Seitenansicht der modularen Platte nach 2;
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6 einen
Schnitt nach der Linie III-III in 5 der modularen
Platte nach 2;
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7 einen
Querschnitt eines Abschnittes des Wärmetauschers nach 1 umfassend
ein Paar modulare Platten, die nach der Linie IV-IV in 3 geschnitten
sind.
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Gemäß 1 ist
ein Boiler mit einem Brenner 2, zum Beispiel einem Brenner
der Vormisch-Bauart, sowie mit einem Wärmetauscher 3 gemäß einer
bevorzugten Ausführung
der Erfindung, der in an sich bekannter Weise unterstützt ist,
allgemein mit der Bezugszahl 1 bezeichnet.
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Der
Wärmetauscher 3 umfaßt mehrere,
konstruktiv identische modulare Platten 4, die paketartig zusammengebaut
sind. Die modularen Platten 4 bewirken einen Wärmeaustausch
zwischen den Verbrennungsgasen, die aus dem Brenner 2 austreten, und
einer geeigneten Wärmeträgerflüssigkeit,
zum Beispiel Wasser.
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Wie
in 1 gezeigt ist, umfaßt der Boiler 1 eine
Verbrennungszone 5 stromabwärts vom Brenner 2.
Die Verbrennungszone 5 wird mit Verbrennungsluft von einem
Gebläse 6 und
mit einem brennbaren Gas von einer Gasleitung 7 gespeist,
die mit einem Abschaltventil 8 versehen ist. Die Verbrennungsluft
und das brennbare Gas werden mittels eines Venturi-Rohres 9 innig
vermischt.
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Gemäß 1 umfaßt der Wärmetauscher 3 drei
modulare Platten 4, die fluiddicht und reziprok an entsprechenden
Sammelrohren 10 zum Verteilen und Sammeln der Wärmeträgerflüssigkeit
in die und aus den Platten 4 einander zugeordnet sind.
Jedes Sammelrohr 10 ragt einstückig von einem proximalen Ende 11 jeder
modularen Platte 4 weg und umfaßt eine Einlaßöffnung 13 und
eine Auslaßöffnung 15 der Flüssigkeit
in die und aus der Platte 4.
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Ferner
umfaßt
jede modulare Platte 4 eine Öffnung 21 zum Ermöglichen
eines Gasstromes, was nachfolgend noch im einzelnen erläutert ist.
Zwischen jedem Paar benachbarte modulare Platten 4 ist
ein Spalt 45 angeordnet, der dazu bestimmt ist, eine Gasströmung zu
ermöglichen,
und Teil eines Gas-Strömungspfades
G in dem Wärmetauscher 3 bildet
(7).
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Eine
Rücklaufleitung 12 zum
Fördern
der Wärmeträgerflüssigkeit
zurück
in den Wärmetauscher 3 ist
in an sich bekannter Weise an den Wärmetauscher 3 angeschlossen
und steht in Fluidverbindung mit der Einlaßöffnung 13 der modularen Platte 4,
die in unterster Position angeordnet ist. Eine Speiseleitung 14 zum
Abgeben der Wärmeträgerflüssigkeit
aus dem Wärmetauscher 3 steht
in Fluidverbindung mit der Auslaßöffnung 15 der modularen Platte 4,
die in höchster
Position angeordnet ist.
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Der
Boiler 1 hat ferner eine Abgasleitung 16 zum Abgeben
der Verbrennungsgase aus dem Wärmetauscher 3 sowie
ein Sammelrohr 17 zum Sammeln des Kondensates. Die Abgasleitung 16 und
das Sammelrohr 17 sind stromabwärts des Wärmetauschers 3 angeordnet.
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Somit
ist im Wärmetauscher 3 ein
Flüssigkeits-Strömungspfad
L gebildet, der sich im wesentlichen zick-zack-förmig zwischen der Einlaßöffnung 13 und
der Auslaßöffnung 15 für die Wärmeträgerflüssigkeit
in den und aus den Wärmetauscher 3 erstreckt,
und ferner ist der erwähnte
Gas-Strömungspfad
G in dem Wärmetauscher
gebildet, der sich ebenfalls im wesentlichen zick-zack-förmig erstreckt und
im wesentlichen den Flüssigkeits-Strömungspfad
L kreuzt, welcher zwischen den Platten 4 ausgebildet ist.
Insbesondere erstreckt sich der Flüssigkeits-Strömungspfad
L mindestens teilweise in jeder Platte in Richtung im wesentlichen
parallel zur Längsachse
X-X der Platte 4: dieser Abschnitt des Flüssigkeits-Strömungspfades
L ist generell mit dem Buchstaben L' in 6 bezeichnet.
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Dank
der Anordnung des Wärmetauschers 3 in
dem Boiler 1 kann mögliches
Kondensat leicht durch den Wärmetauscher 3 abgeführt und
in dem Sammelrohr 17 gesammelt werden.
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Vorzugsweise
sind die modularen Platten 4 des Wärmetauschers 3 aus
Gießwerkstoffen
unterschiedlicher Wärme-
und Korrosionsbeständigkeit hergestellt.
Insbesondere sind die modularen Platten 4, welche nahe
dem Brenner 2 positioniert sind, aus Metallwerkstoffen
höherer
Wärmebeständigkeit,
zum Beispiel Gußeisen,
hergestellt, während
die modularen Platten 4, die am weitesten entfernt vom
Brenner 2 angeordnet sind, wo eine größere Korrosionsge fahr besteht,
aus Metallwerkstoffen höchster
Qualität und
somit höherer
Korrosionsbeständigkeit,
zum Beispiel Aluminium, hergestellt sind.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht der modularen Wärmetauscherplatte 4.
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Gemäß der Erfindung
umfaßt
die modulare Platte 4 einen im wesentlichen plattenförmigen Hohlkörper 18,
der einstückig
aus Gießmetall,
wie Gußeisen,
welches in dem sogenannten „Sandguß-Verfahren" in einer Form um
einen Kern gegossen ist, der vorzugsweise aus einer üblichen
Mischung aus Sand und Kunstharz besteht.
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Die
modulare Platte 4 umfaßt
mindestens einen Abschnitt, der mit mehreren Wärmetauscherelementen 20 versehen
ist, die freikragend von dem Hohlkörper 18 wegragen,
um die Wärmeaustauschfläche zwischen
den Verbrennungsgasen und der Wärmeträgerflüssigkeit
zu Vergrößern, sowie
mit dem erwähnten
Durchlaß 21 zum
Ermöglichen
einer Gasströmung
durch den Hohlkörper 18 seitlich
von dem Abschnitt 19.
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Wie
im einzelnen anhand der 4 und 5 beschrieben
ist, sind die Einlaß-
und Auslaßöffnungen 13, 15 für die Flüssigkeit
in den und aus dem Hohlkörper 18 gemäß der Erfindung
an einem proximalen Ende 11 der modularen Platte 4 angeformt.
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Wie
in 6 gezeigt ist, umfaßt der Hohlkörper 18 mindestens
einen ersten Kanal 22, der sich in einer ersten Richtung
im wesentlichen parallel zur Längsachse
X-X der Platte 4 zwischen dem proximalen Ende 11 und
einem distalen Ende 23 der Platte 4 zum Fördern der
Wärmeträgerflüssigkeit
von der Einlaßöffnung 13 zum
distalen Ende 23 erstreckt, und mindestens einen zweiten
Kanal 24, der in Reihe mit dem ersten Kanal 22 verbunden
ist und sich ebenfalls längs
der genannten Richtung zwischen dem distalen Ende 23 und
dem proximalen Ende 11 zum Fördern der Wärmeträgerflüssigkeit von dem distalen Ende 23 zur
Auslaßöffnung 15 erstreckt.
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Gemäß der bevorzugten,
in 6 dargestellten Ausführung ist der erste Kanal 22 in
dem Hohlkörper 18 nächst dessen
Seitenwand 25 und zwischen dieser Wand 25 und
einer Innenwand 26 angeordnet.
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Der
zweite Kanal 24 ist vorzugsweise in einem Hohlkörper 18 nächst der
gegenüber
dem ersten Kanal 22 liegenden Seitenwand 27 angeordnet.
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In
der bevorzugten gezeigten Ausführung
ist der zweite Kanal 24 zwischen der Seitenwand 27 und einer
Trennwand 28 angeordnet, die sich im Hohlkörper 18 erstreckt.
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Am
proximalen Ende 11 sind der erste Kanal 22 und
der zweite Kanal 24 flüssigkeitsdicht
mittels einer Wand 29 getrennt, die sich zwischen der Wand 27 und
der Trennwand 28 erstreckt.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführung
nach 6 umfaßt
der Hohlkörper 18 ferner
einen Zwischenkanal 30, der in Reihe mit dem ersten Kanal 22 und
dem zweiten Kanal 24 angeordnet ist und vorteilhafter Weise
eine Verlängerung
des Flüssigkeits-Strömungspfades
L' in jeder Platte 4 erlaubt und
somit die Wirksamkeit des Wärmetauschers 3 vergrößert.
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Vorzugsweise
verläuft
der Zwischenkanal 30 zick-zack-förmig längs der Quer-Mittelebene π der modularen
Platte 4 dank mehrerer innerer Trennwände 31–34 vorbestimmter
Länge,
wobei die Trennwände 31–34 sämtlich parallel
zur Längsachse
X-X verlaufen und alternativ von einer inneren proximalen Wand 35 sowie
von einer inneren distalen Wand 36 des Hohlkörpers 18 wegragen.
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Um
die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern, hat
der von dem ersten Kanal 22 und dem in Reihe damit angeordneten
Zwischenkanal 30 gebildete Kanal vorzugsweise eine Gesamtweite,
die im wesentlichen gleich der Weite des Abschnitts 19 ist, welcher
mit den Wärmetauschelementen 20 der
modularen Platte 4 versehen ist.
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Gemäß dieser
bevorzugten Ausführung
der Erfindung, wie in den 4 und 5 dargestellt, sind
die Einlaßöffnung 13 und
die Auslaßöffnung 15 der
Flüssigkeit
in die und aus der modularen Platte 4 in jeweils strukturell
unabhängigen
Einlaß-
und Auslaßkammern 37, 38,
die flüssigkeitsdicht
voneinander getrennt sind, zum Beispiel durch eine Trennwand 39,
und in dem Sammelrohr 10 der modularen Platte 4 ausgebildet.
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Die
modulare Platte 4 umfaßt
vorzugsweise mehrere Rohrelemente 40, die von der Wand 36 wegragen
und im Gießprozeß um Stützelemente
des Kernes (fachmännisch
als „Kernstützen" bezeichnet) gebildet
sind, um die Herstellung der modularen Platte 4 zu ermöglichen.
Die rohrförmigen
Elemente 40 haben die Funktion, das Herausziehen der modularen
Platte 4 aus der Herstellform und das anschließende Entfernen
des Kerns aus der modularen Platte 4 zu gestatten. Wenn
der Herstellprozeß abgeschlossen
ist, werden die rohrförmigen
Elemente 40 mittels Kappen 41 abgedichtet, die
schematisch in 3 dargestellt sind.
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Gemäß der bevorzugten
gezeigten Ausführung
erstreckt sich der Abschnitt 19 mit den Wärmetauschelementen 20 auf
entgegengesetzten Seiten 42, 43 des Hohlkörpers 18,
um die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern.
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Der
Abschnitt mit den Wärmetauschelementen 20 ist
darüber
hinaus vorzugsweise um einen Winkel α etwa gleich 3° bezüglich der
Quer-Mittelebene π der
modularen Platte geneigt, um das Abströmen möglichen Kondensationswassers
zu erleichtern.
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Die
Wärmetauschelemente 20 sind
vorzugsweise gestaffelt im Abstand voneinander angeordnet, und zwar
mit einem Versatz entsprechend einer Teilung p' in einer entsprechenden Anzahl Reihen 20a–20g,
die im wesentlichen parallel zur Längsachse X-X der modularen
Platten 4 verlaufen, um eine möglichst gleichmäßige Wärmeverteilung
zu erzielen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführung
umfassen die modularen Platten 4 eine erste Gruppe 20' Reihen und
eine zweite Gruppe 20'' Reihen von
Wärmetauschelementen 20,
die auf entgegengesetzten Seiten der Längsachse X-X angeordnet sind,
wobei die Reihen 20a–20c der ersten
Gruppe 20' parallel zur
Längsachse
X-X bezüglich
der Reihen 20d–20g der
zweiten Gruppe 20'' um eine Länge s versetzt sind,
die im wesentlichen der halben Teilung p' der Wärmetauschelemente 20 der
zweiten Gruppe 20'' entspricht
(3).
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Eine
derartige Anordnung der Wärmetauschelemente 20 erlaubt
eine vorteilhafte Anordnung Seite an Seite der modularen Platten 4 des
gleichen Typs.
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Vorzugsweise
sind auch die Reihen 20a–20g der Wärmetauschelemente 20 gestaffelt
zueinander in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Längsachse
X-X der modularen Platte 4 angeordnet: in 3 ist
der entsprechende Versatz bzw. die Teilung zwischen den Reihen 20a–20g mit
dem Buchstaben p'' bezeichnet.
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Gemäß 7,
welche einen Abschnitt des Wärmetauschers 3 mit
zwei Seite an Seite angeordneten modularen Platten 4 darstellt,
kann der Wärmetauscher
paketweise durch Plazieren einer ersten modularen Platte und dann
Plazieren einer zweiten konstruktiv identischen Platte 4,
die jedoch vorher um einen Winkel von 180° um ihre Längsachse X-X von unten nach
oben gewendet wurde, benachbart der ersten Platte 4 aufgebaut
werden.
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Auf
diese Weise ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Wärmetauschelemente 20 benachbarter Platten 4 reziprok
anzuordnen, um einen Spalt 45 von im wesentlichen konstanter
Stärke
zu schaffen.
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Vorzugsweise
ist der Durchlaß 21 zum
Ermöglichen
eines Gasstromes nahe einer Seitenwand angeordnet, im dargestellten
Falle nahe der Seitenwand 25 des Hohlkörpers 18 der modularen
Platten 4.
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Folglich
sind zwischen benachbarten Platten 4 zwei im wesentlichen
im Quer- oder Kreuzstrom befindliche Strömungspfade gebildet, wobei
der Flüssigkeits-Strömungspfad
L im wesentlichen zick-zack-förmig
zwischen der Einlaßöffnung 13 und der
Auslaßöffnung 15 der
Flüssigkeit
in den und aus dem Wärmetauscher 3 mit
Abschnitten verläuft,
die sich in Richtung im wesentlichen parallel zur Längsachse
X-X erstrecken, während
ein Gas- Strömungspfad
G ebenfalls im wesentlichen zick-zack-förmig in dem Wärmetauscher 3 umfassend
den Spalt 45 zwischen den Wärmetauschelementen 20 der
benachbarten modularen Platten 4 gebildet ist.
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Gemäß der bevorzugten
dargestellten Ausführung
erstreckt sich der Gas-Strömungspfad
G mindestens teilweise zwischen benachbarten modularen Platten 4 in
einer zweiten Richtung Y-Y im wesentlichen senkrecht zur Richtung
X-X.
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Dank
der Tatsache, daß der
Flüssigkeits-Strömungspfad
L und der Gas-Flüssigkeitspfad G
im. wesentlichen einander kreuzen, ist der Wärmeaustausch-Wirkungsgrad in
vorteilhafter Weise im Vergleich zu dem Wirkungsgrad gesteigert,
der mit Wärmeaustauschern
nach dem Stand der Technik erzielbar ist.
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Dieser
Effekt wird noch dadurch vergrößert, daß der Abschnitt
des Flüssigkeits-Strömungspfades L' sich ebenfalls im
wesentlichen zick-zack-förmig
in dem Hohlkörper 18 jeder
Platte 4 erstreckt und somit dazu beiträgt, den Wärmeaustausch zwischen dem Gas
und der Flüssigkeit
zu optimieren.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung
sein.