DE2632903A1 - Einrichtung mit einem ersten und zweiten rohrbuendel, insbesondere dampferzeuger - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. RWkickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr.K. Fincke SPMY Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem.

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Case G 1045 · postfach 860820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

GENERAL ATOMIC COMPANY, 10955 John Jay Hopkins Drive, San Diego, California / USA

Einrichtung mit einem ersten und zweiten Rohrbündel, insbesondere Dampferzeuger

« Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, die ein erstes und zweites Rohrbündel aufweist, wie beispielsweise einen Dampferzeuger, und insbesondere betrifft die Erfindung eine Einrichtung der vorerwähnten Art, in der Vorkehrungen zur Aufnahme der Wärmeausdehnung um unterschiedliche Beträge, die zwischen miteinander verbundenen Rohrbündeln auftreten, getroffen sind.

Bestimmte Arten von Dampferzeugern weisen Rohrbündel auf, in denen die Rohre unterschiedliche Konfigurationen oder Längen haben oder unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind. Unter selchen Umständen kann die Wärmeausdehnung einzelner Rohrbündel zwischen unterschiedlichen Betriebsbedingungen oder zwischen Abschaltzustand und Betriebszustand wesentlich unterschiedlich sein. Derartige Wärmeausdehnung um unterschiedliche Beträge kann, wo die Rohrbündel miteinander verbunden sind, zur Erzeugung relativ hoher Spannungen bzw. Belastungen, die auf die Verbindungsrohre einwirken, führen.

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In vielen Konstruktionen von Dampferzeugern hat die Notwendigkeit zum Aufnehmen der Wärmeausdehnung um unterschiedliche Beträge dazu-geführt, daß Verbindungswindungen von spiralförmiger Ausbildung benutzt wurden. Die Spannungen bzw. Belastungen, die sich aus Wärmeausdehnungen von unterschiedlichen Beträgen ergeben, werden auf die "Verbindungsrohre als Torsionsbelastungen ausgeübt. Da das gesamte Materialvolumen im Rohr in dem am höchsten mit Spannungen bzw. Belastungen beaufschlagten Bereich ist, ist die größte Auslenkung bei einem gegebenen Spannungs- bzw. Belastungswert und Materialvolumen möglich.

Obwohl die Verwendung von spiralförmigen Verbindungsrohren in einigen Fällen leicht möglich ist, ist die Anwendung von spiralförmigen Verbindungsrohren bei anderen Dampferzeuger-Aufbaukonfigurationen schwierig. Beispielsweise muß in den Fällen, in denen Rohrbündel nebeneinander oder koaxial verschachtelt angeordnet sind, ein gewisser Abschnitt der Verbindungsrohre notwendigerweise quer zur Richtung der Wärmeausdehnung verlaufen. Hohe Spannungen bzw. Belastungen, die aus Wärmeausdehnungen um unterschiedliche Beträge entstehen, können nur schwierig in den Horizontalabschnitten der Verbindungsrohre aufgenommen werden.

Mit der Erfindung soll eine Einrichtung zur Verfügung gestellt werden, die ein erstes und zweites Rohrbündel hat, wobei in dieser Einrichtung Wärmeausdehnung um unterschiedliche Beträge, die zwischen miteinander verbundenen Rohrbündeln auftritt, leicht aufgenommen wird.

Weiterhin wird mit der Erfindung eine Einrichtung vorgeschlagen, die miteinander verbundene Rohrbündel hat, welche einer Wärmeausdehnung um unterschiedliche Beträge ausgesetzt sind, wobei in dieser Einrichtung Spannungen bzw. Belastungen, die als Ergebnis dieser unterschiedlichen Wärmeausdehnung auf die Verbindungsrohre ausgeübt werden, minimalisiert

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Die Einrichtung nach der Erfindung zeichnet sich aus durch erste und zweite Bau- bzw. Strukturelemente, die einer Wärmeausdehnung um unterschiedliche Beträge unterworfen sind, sowie eine Halteeinrichtung, die mit den oberen Teilen der spiralförmigen Verbindungsrohre im Eingriff steht, und eine Hebeleinrichtung, die zwischen den ersten'und zweiten Struktur- bzw. Bauelementen angeordnet und mit der Halteeinrichtung verbunden ist.

Die Hebeleinrichtung kann eine Dreh- bzw. Drehpunktvorrichtung besitzen, die im Abstand von der Halteeinrichtung angeordnet ist, und es kann eine Betätigungseinrichtung vorgesehen sein, die auf der von der Halteeinrichtung entgegengesetzten Seite der Dreh- bzw. Drehpunktvorrichtung mit der Hebeleinrichtung in Eingriff steht, wobei die Betätigungseinrichtung und die Dreh- bzw. Drehpunktvorrichtung an den ersten bzw. den zweiten Struktur- bzw. Bauelementen befestigt und auf der Hebeleinrichtung angeordnet sind, so daß sie eine Bewegung der Halteeinrichtung ermöglichen bzw. bewirken,welche die Überlastung der Verbindungsrohre verhindert, wenn die ersten und zweiten Rohrbündel unterschiedlichen Wärmeaus·= dehnungen ausgesetzt sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Figuren der Zeichnung im Prinzip dargestellten, besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Dampferzeugers, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist; und

Fig. 2 eine schematische Ansicht des oberen Teils des Dampferzeugers der Fig. 1 in gegenüber dieser Figur vergrößertem Maßstab.

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Sehr allgemein gesagt, weist der Dampferzeuger, der in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, erste und zweite Rohrbündel 11 und 12 auf, die einer Wärmeausdehnung um unterschiedliche Beträge unterworfen sind. Der Dampferzeuger besitzt weiterhin erste und zweite Bauelemente 13 und 14, die ebenfalls einer Wärmeausdehnung um unterschiedliche Beträge unterworfen sind. Eine Mehrzahl von spiralförmigen Verbindungsrohren 15 dient dazu, die Rohre in dem ersten Rohrbündel 11 mit den Rohren in dem zweiten Rohrbündel 12 zu verbinden. Eine Halteeinrichtung 16 (siehe Fig. 2) steht mit den oberen Teilen der spiralförmigen Verbindungsrohre 15 in Eingriff, so daß dadurch diese Rohre an einer im wesentlichen vertikalen Achse aufgehängt sind. An der Halteeinrichtung 1β ist eine Hebeleinrichtung 17 befestigt, die ihrerseits eine Dreh- bzw. Drehpunkteinrichtung 18 aufweist. Die Betätigungseinrichtung 19 steht mit der Hebeleinrichtung 17 auf der bezüglich der Halteeinrichtung 16 entgegengesetzten Seite der Dreheinrichtung 18 in Eingriff. Die Betätigungseinrichtung 19 und die Dreheinrichtung 18 sind mit den ersten bzw. zweiten Strukturelementen 13, 14 verbunden und auf der Hebeleinrichtung 17 angeordnet, so daß sie eine Bewegung der Halteeinrichtung 16 bewirken bzw. ermöglichen, die zur Aufnahme von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des ersten und zweiten Rohrbündels 11 und 12 dient.

Es sei nun in näheren Einzelheiten auf Fig. 1 Bezug genommen, deren schematische Darstellung einen Dampferzeuger zeigt, wie er beispielsweise in einem Kernreaktor angewandt werden kann. Der Dampferzeuger ist innerhalb eines Schachts 21 angebracht, der in dem vorgespannten Beton-Reaktordruckbehälter 23 für den Reaktorkern (nicht dargestellt) ausgebildet ist. Durch eine Leitung 25, die in einem Kanal 27 des Reaktorbehälters 23 angeordnet ist, wird dem Dampferzeuger heißes Gas zugeführt. Das Gas zirkuliert durch den Dampferzeuger und strömt bezüglich dieses Dampferzeugers nach aufwärts zu einer Gasumwälzeinrichtung (nicht dargestellt),

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die in dem Schacht 21 oberhalb des Dampferzeugers angeordnet ist. Die Gasumwälzeinrichtung führt das Gas dann durch geeignete Kanäle, die nicht dargestellt sind, zum Reaktorkern zurück.

Der dargestellte Dampferzeuger besitzt Reihen oder Bündel 31 von Nacherhitzungsrohren, die nach dem unteren Ende des Schachts 21 zu angeordnet und durch ein geeignetes Gehäuse 33 aus Metallp.latten oder dergl. eingefaßt sind. Oberhalb des Nacherhitzerrohrbündels 31 und axial damit fluchtend ist ein Bündel ineinander verschachtelter, spiralförmiger Windungen vorgesehen, so daß sich eine ringförmige Gestaltung ergibt, die ein ringförmiges Bündel 11 aufweist. Das Bündel 11 ist mit einem Gehäuse 13 aus Metallplatten oder dergl. versehen. Das Bündel 11 umfaßt den Vorwärmer-Verdampfer und den ersten Überhitzungsabschnitt des Dampferzeugers.

Der zweite Überhitzungsabschnitt ist das Rohrbündel 12, das eine Mehrzahl von langgestreckten, geraden Rohren aufweist, die in dem Raum angeordnet sind, der sowohl von den Rohrbündeln 31 als auch von dem ringförmigen Rohrbündel 11 begrenzt ist. Das Gehäuse 14 aus geeigneten Metallplatten oder dergl. umgibt das Rohrbündel 12. Die Gehäuse 13 und werden durch einen Befestigungsflansch 41, der mittels einer geeigneten Vorrichtung (nicht dargestellt) innerhalb des Schachts 21 angebracht ist, in geeigneter Weise gehalten. Eine unterschiedliche Wärmeausdehnung, die zwischen dem Gehäuse 14 und dem unteren Gehäuse 33 auftritt, wird mittels einer ringförmigen Gleitdichtung, die bei 43 angedeutet ist, aufgenommen.

Mittels geeigneter Sammelrohre 45 wird heißes und kaltes Nacherhitzungsströmungsmittel den Naeherhitzungsrohrbündeln 31 zugeführt bzw. von diesen Naeherhitzungsrohrbündeln abgeführt. Die heißen Nacherhitzungsrohre und die

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kalten Nacherhitzungsrohre der Nacherhitzungsrohrreihe 31 sind mittels haarnadelförmiger Überkreuzungsrohre miteinander verbunden, die allgemein bei 47 angedeutet sind.

Speisewasser für den dargestellten Dampferzeuger wird durch eine Spexsewassereingangsleitung 49 zugeführt, welche nach aufwärts durch den unteren Teil des Dampferzeugers verläuft und eine Verbindung mit den Rohren im Rohrbündel 11 durch Ausgleichsleitungen 51 herstellt. Die Ausströmung am oberen Ende des Rohrbündels 11 geht zum oberen Ende des Rohrbündels 12, wie in näheren Einzelheiten nachstehend erläutert wird. Überhitzter Dampf ist am unteren Ende des Rohrbündels 12 durch die Überhitzersammelleitung 53 verfügbar.

Aus dem Reaktorkern eintretendes heißes Gas gelangt durch den Kanal 27 und die Leitung 25 in den Schacht 21 und strömt durch eine Öffnung 55 in das Gehäuse 33, wo es die Rohrbündel 31 nacherhitzt. Nachdem dieses heiße Gas über die Rohre in den Bündeln 31 geströmt ist, tritt es in das offene untere Ende des Gehäuses 14 ein und strömt nach aufwärts über die Rohre im Rohrbündel 12. Eine Gasströmungs- Ablenkungsplatte 57 ist am oberen Ende des Gehäuse 14 mittels einer Mehrzahl von vertikalen Rippen 59 angebracht. Das Gas strömt durch den Raum zwischen dem oberen offenen Ende des Gehäuses 14 und der Platte 57 zwischen den Rippen 59 und wird dann über die spiralförmigen Rohre im Rohrbündel 11 nach abwärts geleitet. Nachdem das Gas über die spiralförmigen Rohre in dem Rohrbündel 11 geströmt ist, gelangt es durch Durchlässe 61 in der äußeren Wand des Gehäuses 13 und strömt zwischen dem Gehäuse 13 und der Wand des Schachts 21 nach aufwärts zu der Gasumwälzeinrichtung, die nicht dargestellt ist.

In dem gezeigten Dampferzeuger sind zweimal so viel gerade Rohre in dem Rohrbündel 12 als sich spiralförmige Rohre in dem Rohrbündel 11 befinden. Demgemäß ist jedes Verbindungsrohr, das den Dampf von dem Überhitzerteil des Rohr-

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bündeis 11 zum Überhitzerbündel 12 leitet, unterteilt oder doppelgängig bzw. gegabelt. Zu diesem Zweck sind die hori-' zontalen Teile der Verbindungsrohre 63, die sich zwischen den Rohren der Bündel 11 und 12 erstrecken, gegabelt, wie schematisch in Fig. 2 angedeutet ist. Die horizontalen Teile 63 sind mit den oberen Enden der spiralförmigen Rohre im Bündel 11 verbunden, und zwar mittels der,spiralförmigen Verbindungsrohre 15.

Die spiralförmigen Verbindungsrohre 15 sind ineinandergeschachtelt und sind daher in einem ringförmigen Aufbau angeordnet. Durch geeignete Abstufung der Durchmesser können die Rohre 15 koaxial untereinander ineinandergeschachtelt werden.

Wie man in Fig. 2 sieht, wird das obere Ende jedes spiralförmigen Verbindungsrohrs 15 von einer Halteeinrichtung 16 gehalten. Die Halteeinrichtung umfaßt eine Mehrzahl von Aufhängeringen 71, die von einer Mehrzahl von Trägerarmen 73 herabhängen. Die Trägerarme 73 sind aneinander befestigt, so daß mittels eines ringförmigen U-Trägers 81 eine Umfangs-Abstandsbeziehung aufrechterhalten wird. Die Aufhängeringe 71 sind schwenkbar an den Trägerarmen 73 aufgehängt, und jede obere Windung ruht auf einem Hängering 71. Mehrere Trägerarme 73 sind umfangsmäßig im Abstand voneinander um den oberen Bereich des Dampferzeugers herum vorgesehen, beispielsweise bilden sechs Trägerarme eine geeignete Anzahl. Auf diese Weise werden die Aufhängeringe 71 und der obere Teil der Spiralen 15 gleichmäßig gehalten, und die Spiralen hängen davon nach abwärts und können sich axial frei ausdehnen und zusammenziehen.

Wie bereits erwähnt , ist die Halteeinrichtung an der Hebeleinrichtung 17 befestigt. Im einzelnen ist jeder der Trägerarme 73 mittels eines Dreh- bzw. Anlenkungsstifts 75 an

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einem Ende eines Hebels 77 angebracht. Der Stift 75 geht durch einen Schlitz 79 im Ende des Hebels 77.

Die Dreheinrichtung 18 weist einen abwärts gerichteten Vorsprung an bzw. auf jedem der Hebel 77 auf, der in einer Ausnehmung 83 sitzt, die in einer Haltestütze 85 ausgebildet ist. Die Haltestütze 85 ihrerseits ist an der Ablenkungsplatte 57 angebracht, die aufgrund ihrer Anbringung mittels der Rippen 59 am Gehäuse 14 einen Teil dieses letzteren bildet. Eine Mehrzahl von Hebeln 77 und Dreheinrichtungen 18 ist vorgesehen, wobei jeder Hebel bzw. jede Dreheinrichtung mit dem jeweiligen Ende eines Trägerarms 73 verbunden ist.

Das Ende jedes Hebels 77, das sich entgegengesetzt zum Schlitz 79 befindet, ist mit einem einstückigen bzw. integralen Becher 87 versehen, der das untere Ende der Betätigungseinrichtung 19 aufnimmt. Wie dargestellt, weist die Betätigungseinrichtung 19 eine Mehrzahl von Stangen 19 auf, und zwar je eine für jeden Hebel 77, und diese Stangen werden in einem mit Innengewinde versehenen Vorsprung 89 gehalten, der in der oberen Kappe 91 des Gehäuses 13 ausgebildet ist.

Wegen der Verhältnisse, die allgemein in der Zeichnung dargestellt sind,dehnen sich in dem dargestellten Dampferzeuger nicht nur die Rohre in dem Rohrbündel 12 in axialer Richtung mehr als die Rohre in dem Rohrbündel 11, sondern auch das innere Gehäuse 14 dehnt sich mehr aus als das äußere Gehäuse 13. Demgemäß bewegen sich die Kappe 19 und die Ablenkungsplatte 57 an den Grenzen der Ausdehnung näher aneinander, bezogen auf ihren zusammengezogeneren Zustand. Dadurch wird das Ende des Hebels, der im Eingriff mit den Stangen 19 steht, niedergedrückt, so daß die Trägerarme 73 und damit die Aufhängeringe 71 angehoben werden. Dadurch werden die oberen Enden der spiralförmigen Verbindungsrohre 15 angehoben und auf diese Weise ihre Windungen axial gedehnt.

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Durch Auswahl des richtigen Verhältnisses des Abstands zwischen dem Drehpunkt 83 der Hebel 77 und den Stangen 19 zum Abstand zwischen den Drehpunkten 83 der Hebel 77 und den Stiften 75 kann eine richtige Hebelwirkung ausgewählt werden, durch die die spiralförmigen Rohre 15 um den Betrag angehoben werden, der erforderlich ist, den Unterschied in der Ausdehnung zwischen den Rohrbündeln 11 und 12 aufzunehmen, und gleichzeitig wird die Spannung bzw. Belastung minimalisiert, die auf die horizontalen Verbindungsteile 63 einwirkt. Das System wird durch die Ausdehnung in den Strukturelementen 13, 14 angetrieben, die von der Temperatur erzeugt wird, und spricht infolgedessen automatisch und proportional an. Die verschiedenen Spannungen bzw. Belastungen werden von Teilen getragen, die so ausgelegt werden können, daß sie die zur Anwendung gelangenden Belastungen leicht aufnehmen können, und die kleineren ,Horizontalrohrabschnitte 63 sind im wesentlichen unbelastet. Zur Ausbreitung bzw. Verteilung der Gesamtbelästung kann es wünschenswert sein, auch eine gewisse Ablenkung bzw. Auslenkung der horizontalen Teile vorzusehen, so daß alle Spannungen im Verhältnis zu den Belastungen, die aufgenommen werden können, so niedrig wie möglich gehalten werden.

Es sei ein Beispiel für einen Dampferzeugeraufbau gegeben, bei dem eine potentielle Ausdehnung von über 15,24 cm erfolgt, wogegen das Rohrbündel 11 nur etwas mehr als über 7,62 cm expandieren kann. Unter diesen Umständen bewegen sich die Platte 57 und die Kappe 91 um etwa 1,905 cm näher aneinander, wodurch etwas über 2,54 cm am Hebel erzeugt werden. Wenn man ein Hebelverhältnis von etwas unterhalb 3:1 benutzt, dann können die Hebel 77 so ausgelegt sein, daß sie die Aufhänger 71 um etwa 7,62 cm anheben. Auf diese Weise werden die vorhandenen unterschiedlichen Wärmeausdehnungen leicht aufgenommen, ohne daß die Rohre übermäßig belastet werden.

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Es ist infolgedessen ersichtlich, daß der Dampferzeuger nach der Erfindung seine Unterschiede in der Wärmeausdehnung leicht aufnimmt, ohne daß es zu übermäßigen Belastungen bzw. Spannungen an irgendwelchen seiner Elementekommt, sondern vielmehr die Spannung bzw. Belastung auf die verschiedenen Elemente im Verhältnis zu ihrer Fähigkeit., Spannung bzw. Belastung zu widerstehen, aufgeteilt wird. Das System arbeitet automatisch, erfordert keine externe Erregung bzw. Wahrnehmung oder Kraftquellen für die Bewegung, und es ist relativ kostengünstig sowie leicht zu installieren.

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Claims (7)

Patentansprüche

1.) Einrichtung mit einem ersten und zweiten Rohrbündel, die einer Wärmedehnung um unterschiedliche Beträge ausgesetzt sind, wobei eine Mehrzahl von im wesentlichen spiralförmigen Verbindungsrohren vorgesehen ist, die eine «Verbindung zwischen den Rohren im ersten und zweiten Rohrbündel herstellen, gekennzeichn et durch erste und zweite Bau- bzw. Strukturelemente (13>14), die einer Wärmedehnung um unterschiedliche Beträge ausgesetzt sind; eine Halteeinrichtung (16), die mit den oberen Teilen der spiralförmigen Verbindungsrohre (15) in Eingriff steht; und eine Hebeleinrichtung (17), die zwischen den ersten und zweiten Bau- bzw. Strukturelementen angeordnet und mit der Halteeinrichtung verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebeleinrichtung (17) eine Dreh- bzw. Drehpunkteinrichtung (18) hat, die gegenüber der Halteeinrichtung (16) versetzt ist; und daß eine Betätigungseinrichtung (19) vorgesehen ist, welche sich im Eingriff mit der Hebeleinrichtung auf der bezüglich der Halteeinrichtung entgegengesetzten Seite der Dreh- bzw. Drehpunkteinrichtung befindet, wobei die Betätigungseinrichtung und die Dreh- bzw. Drehpunkteinrichtung an den ersten bzw. zweiten Bau- bzw. Strukturelementen (13,14) befestigt und auf der Hebeleinrichtung angeordnet ist, so daß sie eine Bewegung der Halteeinrichtung (16) herbeiführt, die eine Überlastung der Verbindungsrohre (15) verhindert, wenn das erste und zweite Rohrbündel (11,12) verschiedenen Wärmeausdehnungen ausgesetzt sind.

3· Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rohrbündel (11) eine Mehrzahl von im wesentlichen spiralförmigen Rohren aufweist, die Windungen besitzen, welche um das zweite Rohrbündel (12) herumgehen, das

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eine Mehrzahl von im wesentlichen geraden Rohren aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Struktur- bzw. Bauelement (13) ein Gehäuse für das erste Rohrbündel (11) umfaßt, während das zweite Struktur- bzw. Bauelement (14) ein Gehäuse für das zweite Rohrbündel (12) umfaßt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung (16) einen ringförmigen Rahmen bzw. ein ringförmiges Gestell (81) besitzt, an dem die Hebeleinrichtung schwenkbar angebracht ist, und daß die Halteeinrichtung weiterhin eine Mehrzahl von Aufhängern (71) umfaßt, die sich von der Halteeinrichtung aus erstrecken und im Eingriff mit den oberen Teilen der spiralförmigen Verbindungsrohre (15) befinden.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrbündel (11,12) koaxial angeordnet sind und die Hebeleinrichtung (17) eine Mehrzahl von Hebeln (73) aufweist, die sich bezüglich der gemeinsamen Achse der Rohrbündel radial erstrecken und in Umfangsrichtung in Abständen angeordnet sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Rohrbündel (11,12) einen Teil eines Dampferzeugers bilden und jedes einen Überhitzungsabschnitt dieses Dampferzeugers umfaßt.

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