DE2947829A1

DE2947829A1 - Pruefkammer zur simulation von klimaparametern

Info

Publication number: DE2947829A1
Application number: DE19792947829
Authority: DE
Inventors: Lothar Dipl Ing Goldschalt; Martin Schneider; Horst Wieduwilt
Original assignee: Luft und Kaeltetechnik VEB
Current assignee: Luft und Kaeltetechnik VEB
Priority date: 1979-03-30
Filing date: 1979-11-28
Publication date: 1980-10-09
Also published as: GB2056694A; SU1386806A1; DD141706A1; FR2452677A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Prüfkammer zur Simulation extremer Klimaparanieter Temperatur und Feuohte mit großem Arbeitsbereich und hoher Präzision.

Dem Klima mit seinen Hauptkomponenten Lufttemperatur und Luftfeuohte ist im Komplex der mb'gliohen Umwelteinflüsse ein besonderer Bang zuzuordnen. Prüfkammern fUr die Ueweltsimulation dienen deshalb bevorzugt der Erzeugung eines Klimas aus diesen beiden Hauptkomponenten in dem Nutzraum· Die relative Luftfeuohte stellt bei konstantem Wasserdampfgehalt eine abhängige Größe der Lufttemperatur dar· Zur Erzeugung bestimmter Lufttemperaturen im Prüfraum werden verschiedene Temperlersysteme angewendet· Ihre Auswahl wird bestimmt von den geforderten Klimawerten: Temperaturbereich, Temperaturkonstanz, maytmai erreichbare Luftfeuchte, Temperaturäoderungsgesohwindigkeit sowie dem teohnisoh-ökonomisohen Aufwand· In dem System der direkten Lufttemperierung sind Verdampfer und Heizkörper im Nutzraum abgeschirmt angeordnet und stehen über den zirkulierenden Luftstrom energiemäßig direkt mit dem Nutzraum in Verbindung. Das System der Nutzraummanteltemperierung 1st gekennzeichnet duroh großflächige Verdampfer und HeIs-

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körper, weIohe ao der Außenseite des Nutzraumes angeordnet sind. Der Energiefluß erfolgt duroh die Wand des Nutzraumes. Ein weiteres System ist die indirekte Flüssigkeitstemperierung. Hierbei wird eine extern temperierte Flüssigkeit duroh Kanäle in der Nutzraurowandung oder auch durch einen Wärmeaustauscher, vergleichbar mit dem Verdampfer bei der direkten Luftteniperierung, gefördert. In dem CSSB Patent 96 808 wird die indirekte Lufttemperierung mit zwei gegenseitig getrennten Luftumläufen angewendet^ ein Umlauf für die Temperierung des Nutzraumes und der zweite Umlauf für den Wasserdampfgehalt der Luft im Nutzraum. Hierfür ist in dem direkt temperierten äußeren Behälter mit Verdampfer und Heizkörper ein Nutzraum eingesetzt, der von der temperierten Luft in einfachem Kreislauf fünfseitig - ohne Türseite- umströmt wird. Die Luft mit unterschiedlichem Wasser dampf ge halt wird dem Nutzraum mit dem zweiten Umlauf von außen zugeführt und in einfacher Weise von einem Ventilator verwirbelt. Bekannt ist weiterhin die Korabination der direkten und der indirekten Lufttemperierung an Schadgas- Prüfschränken und Phytoschränken für Pflanzenversuche mit einem Umlauf für die indirekte Temperierung des Nutzraumes und einem davon abgezweigten Teilstrom für die direkte Temperierung. Hierbei ist in den direkt temperierten äußeren Behälter ein Nutzraura eingesetzt, der eine eigene Tür hat. Er wird von der temperierten und zugleich be- oder entfeuchteten Luft allseitig umströmt. Ein Teil der klimatisierten Luft des äußeren Umlaufes wird in den Nutzraum geführt und durohatrömt diesen. Die Luft wird dabei in einfaoher Weise verwirbelt und nach außen abgeführt.

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DeD bekannten Temperiersystemen haftet der Iviangel an, daß mit dem jeweils gewählten Temperiersystem nur in einem begrenzten Bereich der Lufttemperatur und Luftfeuohte hohe Forderungen der Konstanz und hoher Feuchten, aber keine hohen Änderungsgeschwindigkeiten erfüllt werden können, und beliebig gewählte reproduzierbare Klimawerte in dem weiten Temperaturbereich von oa. minus 100⁰C bis oa. 18O⁰C mit hoher Konstanz und hoher Ä'nderungsgesohwindigkeit einschließlich der Feuohte von ca. 98 % bei max = 80⁰C nur sehr schwierig und Tiit hohem technisoh-b'konomisohem Aufwand realisiert werden können. Die direkte Lufttemperierung und die direkte Prüfraummanteltemperierung sind einfaoh im Aufbau, sie erfüllen aber nur begrenzte Forderungen hinsichtlioh der Temperaturkonstanz eiosohließlioh der gleichmäßigen Temperaturverteilung im Nutzraum und erreichbarer hoher Feuchten· Dies insbesondere, da bei dem Begelbefehl "Kühlen" eine zeitliche Temperaturkonstanz plus der örtlichen Temperatur-Verteilung im Mittelwert * 0,5 K nicht erreichbar ist und weiterhin die wärmeübertragungsabhängige Temperaturdifferenz zwischen mittlerer Lufttemperatur und niedrigster Verdampferoberflächeηtemperatur bzw· Prüfraumroanteltemperatur, die während des Kühlbefehles stets >1,0 K ist, infolge begrenzter Möglichkeiten der Energieanpassung der Kühlleistung des Kältemittelverdiohters einschließlich Verdampfer an den Bedarf der Kühlleistung bei der jeweiligen Prüfraumtemperatur im Klimabereioh, stabile höchste Feuchten von oa· 97 $ und darüber nioht erreichbar sind. Mit der indirekten Flüssigkeitstemperierung werden gute Werte der Teraperaturkonstanz, der hohen Feuohte und der gleichmäßigen Temperaturverteilung erreicht. Nachteilig wirkt die hohe Wärmekapazität der Temperierflüssigkeit auf

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die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur, die im Mittelwert kleiner als bei den direkt temperierten Prüfkammern ist. Der Temperaturbereich ist infolge der Einsatzgrenzen der Temperierflüssigkeit begrenzt und liegt bei minus 30 Grad Celsius bis plus 100 Grad Celsius.

Die Ausführung mit zwei gegeneinander getrennten Luftumläufen verbessert die Güteparameter der Temperaturdifferenz und der Erreichung hoher Feuohte im Nutzraum gegenüber den Temperiersystemen der direkten Luftteraperierung und der Nutzraummanteltemperierung. Gegenüber der indirekten Flüssigkeitstemperierung besitzt sie eine geringere Wärmekapazität und ermöglioht damit bei gleicher Energiezuführung höhere Ä'nderungsgeschwindigkeiten. Die Verbesserung der Güteparameter, bezogen auf die Verkleinerung der Temperaturdifferenz und Erreichung hoher Feuchte wird erreicht, weil die btöreinflüsse auf den 2Jutzraum, -insbesondere durch den Wärmeeinfall und die Kühlwirkung des Verdampfers und des um den Nutzraum zirkulierenden temperaturgeregelten Luftstromes- in Verbindung mit dem thermischen Dämpfungsverhalten des Nutzraumes vermindert werden. Da jedoch der um den Nutzraum zirkulierende temperaturgeregelte Luftstrom mit den Wänden des Nutzraumes eine Reihenschaltung im Wärmeaustausch darstellt, besitzen die einzelnen Wände unterschiedliche mittlere Temperaturen, die bei größeren Temperaturdifferenzen zwischen der Temperatur im Nutzraum und der Außentemperatur ebenfalls relativ groß werden. Extreme Klimawerte im weiten Temperaturbereich bis 180 Grad Celsius bei gleiohzeitig kleiner Temperaturdifferenz im Nutzraum plus/minus 0,15 Grad Celsius können deshalb nicht erzielt werden. Da weiterhin die Ä'nderungsgeschwindigkeit der Tem-

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pexatur Im Nutzxaum von den beiden Größen dex Wärmekapazität und des Wärmedurchganges abhängig ist, jedoch, die bekannten Ausführungen bei den unterschiedlichen Bötriebszuständen der Aufheizung / Abkühlung und Sollwert - Regelung keine Veränderung des Wärmedurchganges vornehmen, tritt beim Aufheizen / Abkühlen ein zu großer Temperaturgradient zwisohen dem äußeren Behälter und dem Nutzraura, insbesondere bei deren Einbauten, ein. Das führt zu langer Angleiohzeit in der anzufahrenden Sollwerttemperatur und ist damit zeit- und energieökonomisch nachteilig.

Es ist das Ziel der Erfindung eine Prüfkammer zur Simulation von Klimaparametern zu schaffen, die extreme Klimawexte in einem Temperaturbereich von minus 100 Grad Celsius bis plus 180 Grad Celsius sowie einer relativen Luftfeuohte bis 97 $ und darüber im Temperatur bereich von minus 30 Grad Celsius bis plus 80 Grad Cel sius bei einer örtliohen plus zeitlichen Temperaturdifferenz von 0,1? Grad Celsius innerhalb kürzester Zeit bei ökonomischem Enexgleeinzatz erzeugt und aufreoht erhält·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Führung des Temperiermediuras ic der Prüfkammer um und in dem Nutzraum zweckmäßig zu verändern, damit die in der Zielstellung genannten GüteparaBieter der Klimakoraponenten ökonomisch exreioht werden·

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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß daduroh gelöst, daß zwei getrennte Umläufe für das gasförmige Temperierraedium, das vorzugsweise Luft ist, in einem äußeren Kreislauf und einem inneren Kreislauf eine bisher nioht angewendete gerichtete Führung der Kreisläufe erhalten und beide Kreisläufe miteinander verbunden werden können.

Zwischen dem thermisoh isolierten äußeren Behälter und drei Wänden eines inneren Behälters befindet dich an drei Seiten mit Abstand zu beiden ein U-förmiges Leitblech und bildet so zwei Räume. Diese stehen für einen äußeren Kreislauf miteinander in Verbindung, indem in einer Fläche des trennenden Leitbleches eine Öffnung mit einem Ventilator angeordnet ist und die gegenüberliegende Fläche des Leitbleches perforiert ist. Diese perforierte Fläche wird von einem Umlenkblech geteilt. In dem Baum zwischen dem äußeren Behälter und dem Leitbleoh sind als Snergieglieder Kältemittelverdampfer und elektrische Heizkörper angeordnet. Der innere Behälter umschließt an fünf Seiten den Nutzraum. Die dadurch gebildeten zwei Eäurae stehen für den inneren Kreislauf miteinander in Verbindung, indem in einer Fläohe des Nutzraumes eine Öffnung mit einem Ventilator angeordnet ist und die gegenüberliegende Fläche des Nutzraumes perforiert ist. Die Ventilatoren für den äußeren und für den inneren Kreislauf befinden sich auf einer von einem Motor angetrieben gemeinsamen Welle. Eine weitere Neuheit besteht darin, daß in der Wand des inneren Behälters, welsche die beiden Kreisläufe trennt, an einer Kante als Teil dieser Wand eine schwenkbare Winkelklappe angeordnet ist.

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In dem äußeren Kreislauf wird das gasförmige Temperiermedium, weIohes vorzugsweise Luft ist, mittels Kältemittelverdampfer gekühlt oder durch Heizkörper erwärmt· Der Ventilator bewegt das Temperlermedium, dessen Strömung von dem Umlenkblech geteilt wird, duroh das perforierte Leitblech und eine gleichmäßige Spaltströmung umfließt allseitig parallel die Wände des inneren Behälters und die innere Tür· Mit der erfindungsgemäßen Ausführung des äußeren Kreislaufes wird erreioht, daß das gasförmige Temperiermedium erst nach einer Dämpfung der Begelsohwankungen den inneren Behälter alt innerer Tür umströmt, wobei ein allseitiger Energieaus tausch über die Wände mit dem ebenfalls gasförmigem Temperiermedium des inneren Kreislaufes erfolgt. Der Ventilator bewegt das Temperiermedium im inneren Kreislauf duroh die Öffnung des Nutzraumes und es strömt an fünf Seiten um den Nutzraum her »hi duroh die perforierte Fläche hinduroh· In dem Nutzraum bildet sioh eine geriohtete Strömung mit geringer Geschwindigkeit aus· Die erfindungsgemäße Anordnung des äußeren Kreislaufes und des inneren Kreislaufes führt die getrennten Ströme des Temperiermedium an den sie trennenden Wände des inneren Behälters im Gegenstrom aneinander vorbei· Duroh die erfindungsgemäße Ausführung der Temperierung ist es jetzt möglloh, deren Funktionswlrkuog der geforderten Betriebsweise anzupassen, d.h. im Temperaturbereich von oa· minus 10O⁰C bis oa. 180⁰C werden sowohl die Wirkungen der Energieimpulse der Energieglieder duroh die Reihenschaltung mehrerer Wärmewiderstände plus Wärmekapazitäten, wie sie der fünfseitige Mantel mit Bahmen und Tür des äußeren Baumes einsohließlioh den Elemen-

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ten der Luftleiteinriohtung sowie der Nutzraum wiederum mit seiner Luftleiteinriohtung unter dem Einfluß des strömenden Temperiermediums Luft darstellen, soweit ausgesiebt und in eine gleichförmig strömende Wärmemenge umgewandelt, daß in Nutzraummitte eine Temperaturkonstanz von ^ ΐ 0,1 K erreicht wird, als auch durch veränderte Luftführung mittels Klappensteuerung die Wärmewiderstände reduziert werden und damit eine hohe Temperaturänderungsgeschwindigkeit ermöglicht wird. Weiterhin wird durch die vollständige temperaturgeregelte Luft-Umströmung der riutzraum vollständig von den Störeinflüssen des 'Wärmeeinfalles bzw. der Wärmeverluste infolge der Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Mutzraumtemperatur, die bei vorliegendem extrem großem Temperaturbereich hohe Beträge annehmen kann, abgesohirmt. Da im Nutzraum keine Energieglieder angeordnet sind -die .Vände stellen die Wärmeaus tauso hf lachen dar-, zirkuliert der Luftumlauf im Nutzraura mit geringem Druckverlust und erfordert damit nur eine kleine Lüfterleistung. Damit wird die eingetragene Wärmemenge durch den Ventilator gering und in Verbindung mit dem von äußeren Störeioflüssen abgeschirmten Nutzraum wird die Temperaturdifferenz zwischen mittlerer Nutzraumlufttemperatur und der Nutzraumwandungstemperatur so klein, daß in einem Temperaturbereichsumfang von 110 K als Teilbereioh des gesamten Temperaturbereiches eine obere Grenzfeuchte von 98 % rel. Feuohte erreicht wird. Das schließt die geringe Wärmemenge mit ein, wie sie duroh dosierbare Feuohtluft der Befeuchtung in den Nutzraum eingetragen wird. Gleichzeitig bewirkt die Abschirmung des Nutzraumes eine geringe örtliohe Abweichung beliebiger Temperaturpunkte bezogen auf die Temperatur in Nutzraummitte von ^ t 0,2 K im genannten Teilbereich.

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Die voile flirkung der Wärmewiderstände plus Wärmekapazitäten wird dadurch erreioht, dai3 der Nutzraum our quasi punktförmige Berührung zum äußeren Baum besitzt odor der WärmewiderstaDd duroh Wärmeleitung größer ist als der Wärmewiderstand duroh Wärmeübertragung über das Temperiermedium Luft· Das ist auch ein Beitrag zum Gesamtergebnis. Da die Gesamt kapazität der Temperiereinriohtung bei nooh höheren Güteparametern bei maximal 1/3 der Wärmekapazität flüssigkeitstemperierter Einrichtungen liegt, reduziert sich der Energiebedarf bei gleioher Änderungsgesohwindigkeit der Temperatur ebenfalls auf 1/3. Die beiden Betriebezustände Aufheizen / Abkühlen einerseits und Regelung bei der Sollwerttemperatur anderseits erfordern für eine optimale Betriebsweise - besonders bei hohen Änderungsgesohwindigkeiten - eine wirksame thermodynamisch« Anpassung· Diese wurde daduroh gefunden, daß der äußere und innere Kreislauf des Temperiermediums duroh eine schwenkbare Winkelklappe, vorzugsweise elektromagnetisch automatisoh gesteuert, abhängig vom Betriebszustand getrennt oder verbunden werden. Der Steuerbefehl wird vom Temperaturregler abgeleitet, der bei einem einstellbaren Abstand vom Sollwert ein Vorsignal abgibt und jetzt gleich die Winkelklappe, wie auoh die hohe Heiz-/ Kühlleistung für die große Ä'nderungsgesohwlndigkeit auf die Sollwertregelung mit geringerer Heiz-/ Kühlleistung umso haltet, wobei die Winkelklappe geschlossen wird· Bei großer Änderungsgesohwiodigkeit der Temperatur wird der duroh das Umlenkblech geteilte Luftstrom im äußerern Kreislauf über die geöffnete Winkelklappe als Teilstrom in den inneren Behälter mit dem Nutzraum geführt und nach dessen Durohströmung wieder mit dem Teilstrom des

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äußeren Kreislaufes vereinigt· Die daduroh wirksame Verminderung des Wärraewiderstandes vermindert ebenfalls den Temperaturgradient zwischen äußerem und innerem Behälter beim Aufheizen / Abkühlen und der gewählte Sollwert wird sohneller erreioht· Auf diese Weise wird die thermodynamische Anpassung an den Betriebszustand erreioht. Funktionell mit der automatischer Umschaltung sind gekoppelt:

- bei hoher Änderungsgesohwindigkeit eine hohe Heiz-/ Kühlleistung mit geöffneter Winkelklappe

- bei Sollwertregelung der Temperatur eine geringere Heiz-/ Kühlleistuag mit geschlossener Winkelklappe.

Naoh Figur 1 und Figur 2 besitzt der an fünf Seiten thermisch isolierte äußere Behälter 1 an der Bedienseite den Rahmen 2 und die dicht schließende thermisch isolierte äußere Tür 3· In diesem äußeren Behälter 1 befindet sioh mit allseitigem Abstand der innere Behälter 4 und in diesem mit Abstand zu fünf Seiten der Nutzraum 10. Der innere Behälter 4 und Nutzraum 10 sind an einer Seite an dem gemeinsamen Rahmen 11 befestigt. Der Nutzraum 10 wird an dem Rahmen 11 von der Nutzraumtür 12, welche mit der äußeren Tür 3 korrespondiert, dioht geschlossen.

Zwischen dem Behälter 1 und der Wand des inneren Behälters 4 ist mit Abstand zu drei Flächen ein U-fö'rmiges Leitblech 5 angeordnet, das mit seinen Kanten an dem Rahmen 2 und den beiden Seitenflächen der inneren Wand des Behälters 1 formschlüssig befestigt ist.

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Id dem äußeren Baum 20 zvvisohen dem Behälter 1 und dem Leitbleoh 5 sind als Energieglieder Kältemittel-Verdampfer 23 und elektrische Heizkörper 24 angeordnet· In dem Leitbleoh 5 befindet sich in einer Fläche die öffnung 6 mit dem Ventilator 7, und die gegenüberliegende Fläohe 8 ist perforiert, d.h. mit einer Anzahl Durohbrüchen versehen. Diese perforierte Fläche 8 wird von dem Umlenkblech 9 geteilt. Der innere Behälter 4 umschließt an fünf Seiten den Nutzraum An seiner Bedienseite befindet sich die Nutzraumtür 12· In einer Fläche der Wand des Nutzraumes 10 befindet sich die Öffnung 14 mit dem Ventilator 15. Die gegenüberliegende Fläche 17 des Nutzraumes 10 ist mit einer Anzahl Durohbrüchen versehen. Die Ventilatoren 7 und 15 sind auf einer von einem Motor angetriebenen gemeinsamen Welle 16 angeordnet· Die Halterung für den Behälter 4 und den Nutzraum 10 eriolgt mittels in den Seitenwänden und außen an der Sohiene 27 befestigte Bolzen 28 aus wenig wärmeIeitfähigem Material. Die Sohiene 27 wird auf in dem Behälter 1 befestigten Auflagebolzen 29 abgestützt. Der von dem Behälter 1 mit den Bahnen 2 und Tür 3 sowie dem Behälter 4 mit den Bahnen 11 und der Nutzraumtür 12 begrenzte, von dem U-förmigen Leitblech 5 geteilte Baum, bildet den äußeren Kreislauf für das Temperiermedium Luft· Das von in bekannter Weise geregelten Energiegliedern Verdampfer oder Heizkörper 24 abgekühlte oder aufgeheizte Teraperiermedium wird von dem Ventilator 7 um das Leitbleoh 5 und in Gegenstrom an der Innenseite des Leitbleohes um den Behälter 4 geführt· Der Behälter 4 mit dem Bahnen 11 und der Nutzraumtür 12 umsohließen den inneren Kreislauf des Temperiermediums, welcher in bekannter Weise

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durch die Luftzuführung 25 trookene oder feuchte Luft von außen erhält. Der Ventilator 15 bewegt diese duroa den Nutzraun 10 und an fünf Seiten im Gegenstrom um den Nutzraum herum. In der Wand des Behälters 4 ist die Durchgangsöffnung für die fliegend angeordnete Welle 16 größer als der innendurchmesser und bildet einen Kingspalt 30. Ein Teil der Luft des inneren Kreislaufes entweioht durch diesen Hingspalt in den äußeren Kreislauf und von dort durch die Luftabführung 26 nach außen. An der Kante 18 ist eine Winkelklappe schwenkbar angeordnet, die als Teil des Behälters mit ihren äußeren Flächenteilen an der ».and des üehälters dioht anliegt· Wird die Winkel klappe 19 mittels Schwenkeinrichtung 22 geschwenkt, dann gibt sie eine Öffnung zwischen dem äußeren und dem inneren Kreislauf frei. Dieser Betriebszustand ermöglicht es, bei Bedarf im Nutzraum eine hohe Änderungsgecohwindigkeit der Temperatur zu erzielen.

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Claims

Prüfkamraer zur Simulation von Klimapararaetern

Patentanspruch

Prüf kammer zur Simulation extremer Klimaparanieter Temperatur und Feuchte mit zwei getrennten Umläufen für das gasförmige Temperierraedium, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem thermisch isolierten äußeren 3ehälter (1) und drei Wänden eines fünfseitigen inneren Behälters (4) mit Abstand zu beiden Behältern ein U-förmiges Leitblech (5) angeordnet ist, das mit seinen Kanten an den beiden Seitenflächen der inneren Wand des Behälters (1) und dem Rahmen (2) für die äußere für (3) anliegt, und das Leitblech (5) für einen äußeren Kreislauf in der Öffnung (6) den Ventilator (7) aufnimmt und dessen gegenüberliegende Fläche (8) perforiert ist, wobei diese perforierte Fläche von einem Umlenkblech (9) geteilt wird, sowie der Nutzraum (10) an fünf Flächen mit Abstand von dem inneren Behälter umhüllt ist und beide an dem Hahmen (11) für die Nutzraumtür (12) befestigt sind, wobei die Nutzraumtür und die äußere Tür mit Abstand korrespondieren und für einen inneren Kreislauf eine Fläche der inneren Wand (13) in der öffnung (14) den Ventilator (15) aufnimmt, der mit dem Ventilator (7) auf einer gemeinsamen Welle (16) befestigt ist, und die gegenüberliegende Fläche (17) perforiert ist, und daß für eine wahlweise Verbindung der an sich getrennten Kreisläufe an einer dem Umlenkblech (9) parallelen Kante (18) des Behälters (4) eine schwenkbare Winkelklappe (19) als Teil des Behälters gelagert ist.

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ORIGINAL INSPECTED