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Kühlanordnung zur Kühlung eines Mediums
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Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zur Kühlung eines Mediums
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Bei dem zu kühlenden Medium kann es sich
insbesondere um das der Isolierung und Kühlung dienende Öl im Kessel großer Leistungstransformatoren
handeln.
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Eine Kühlanordnung der vorgenannten Art besteht im wesentlichen aus
einem Lüfter und einem Kühler, die über einen Druckkanal oder eine Druckkammer miteinander
verbunden sind. Der Lüfter saugt ein als Kühlmittel dienendes Gas, vorzugsweise
Luft, aus der Umgebung an, und drückt dieses in den Druckkanal. Am Ende des Druckkanals
durchströmt das Gas den Kühler, der z.B. aus einem Rohrsystem bestehen kann, durch
welches das zu kühlende Medium fließt.
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Es gibt Anwendungsgebiete für solche Kühlanordnungen, bei denen der
Raum, in welchem die Kühlanordnung untergebracht werden muß, sehr begrenzt ist.
Ein wichtiges Beispiel für ein solches Anwendungsgebiet sind große elektrische Transformatoren
und Drosselspulen, insbesondere Grenzleistungstransformatoren, deren maximal zulässigen
Abmessungen in Höhe, Breite und Länge durch das zulässige Eisenbahnprofil vorgeschrieben
sind. Solche Transformatoren und Drosselspulen werden im zusammengebauten Zustand
Schalldämpfung
müssen die Kulissen in Strömungsrichtung möglichst lang sein, und die Spalte zwischen
den Kulissen müssen möglichst schmal sein.
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Der Nachteil der Kulissenschalldämpfer besteht darin, daß sie die
Strömungsform der Luft zum Lüfter ungünstig beeinflussen. Dies macht sich besonders
dann störend bemerkbar, wenn zwischen den Kulissen und dem Lüfterrad nur ein geringer
Abstand zur Verfügung steht. Bei beengten Raumverhältnissen ist dieser Abstand notwendigerweise
klein, so daß hohe Luftgeschwindigkeiten auftreten. Durch diese ungünstigen Strömungsverhältnisse
wird das vom Lüfter erzeugte Geräusch vergrößert und zugleich der Wirkungsgrad vermindert.
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Ferner sind Zylinderschalldämpfer bekannt, bei denen der Strömungskanal
im Schalldämpfer eine kreiszylindrische Form hat. Die Größe dieses zylinderringförmigen
Spaltes ist in Strömungsrichtung etwa konstant. Da für eine gute Dämpfung der Spalt
relativ klein sein muß, sind die Strömungsgeschwindigkeit und der Druckabfall relativ
groß bzw. die förderbare Luftmenge relativ klein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung der eingangs
genannten Art zu entwickeln, deren nach außen dringende Schalleistung trotz beengter
Raumverhältnisse relativ gering ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Kühlanordnung nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil
des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
genannt.
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Durch den ansaugseitigen Schalldämpfer gemäß der Erfindung kann im
Vergleich zu den bekannten Kulissen- oder
mittels spezieller Fahrgestelle
auf Eisenbahnschienen transportiert. Für die Unterbringung der Kühlanordnung steht
bei diesen Geräten, die im wesentlichen die Form eines Quaders haben, nur ein begrenzter
Raum in den vertikalen Kantenbereichen des genannten Quaders zur Verfügung. Dabei
ist in der Regel die horizontale Strömungsrichtung des Kühlgases im Lüfter gegenüber
der im Kühler um etwa 90 Grad versetzt. Da auch am Aufstellungsort solcher Transformatoren
die Raumverhältnisse außerordentlich beengt sind, insbesondere bei Aufstellung des
Transformators in geschlossenen Schaltstationen in dicht bebauten Gebieten, ist
es auch nicht möglich, die Kühlanordnung als anbaubare Einheit außerhalb des Bahnprofils
vorzusehen. Außerdem soll bei einem Transformator der gesamte Ölkreislauf im Herstellungswerk
geschlossen hergestellt werden, da anderenfalls die Gefahr einer Verschmutzung des
Öls und damit die Gefahr einer Herabsetzung der Isolationsfestigkeit solcher Hochspannungsgeräte
besteht.
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Infolge der beengten Raumverhältnisse und der erforderlichen hohen
Kühlleistung ist es unvermeidbar, daß eine Kühlanordnung der obengenannten Art mit
relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases und mit hoher Drehzahl des
Lüfters arbeiten muß. Dies hat zur Folge, daß die Kühlanordnung sehr laut arbeitet.
Mit Rücksicht auf die Umweltbelastung ist dies in vielen Fällen nicht zulässig,
und es werden strenge Anforderungen an die maximal zulässige Lautstärke solcher
Kühlanordnung gestellt. Dies gilt ebenfalls insbesondere für die obengenannten Transformatoren
und Drosselspulen.
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Um die Geräuschbelastung der Umgebung klein zu halten, ist es bereits
bekannt, eingangsseitig und ausgangsseitig der Kühlanordnung Schalldämpfer vorzusehen.
So werden bei den Kühlanordnungen großer Transformatoren sowohl an der Ansaugseite
als auch an der Ausgangsseite der Kühlanordnung Kulissenschalldämpfer verwendet.
Für eine gute
Zylinderschalldämpfern bei gleichem Druckabfall eine
um 25 Prozent und mehr verbesserte Dämpfung erreicht werden.
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Insbesondere ist die Dämpfung im Hochfrequenzbereich wesentlich besser
als bei den bekannten Schalldämpfers.
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Die Kühlanordnung gemäß der Erfindung ist hervorragend geeignet für
große Transformatoren und Drosselspulen, insbesondere für solche, die für Grenzleistungen
ausgelegt sind. Die Kühlanordnungen gemäß der Erfindung können hierbei in den vertikalen
Kantenbereichen solcher Geräte angeordnet werden, wobei der horizontale Querschnitt
der Druckkammer dem im horizontalen Querschnitt etwa dreieckförmigen Freiraum angepaßt
ist, der in den vertikalen Kantenbereichen solcher Geräte zwischen dem Ölkessel
und den höchstzulässigen Bahnprofilmaßen vorhanden ist. Dabei können in jedem Kantenbereich
mehrere der genannten Kühlanordnungen übereinander angeordnet werden, wobei diese
auf einen gemeinsamen entsprechend hohen Kühler arbeiten können.
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Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die
Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen: Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer
Kühlanordnung gemäß der Erfindung im horizontalen Schnitt entsprechend der Linie
A-A in Fig. 2 u. 3a, und zwar in solcher geometrischerBauweise, wie sie bei einem
großen Transformator, insbesondere einem Grenzleistungstransformator, verwendet
werden kann, Figur 2 den Eingangsschalldämpfer und Lüfter aus der Kühlanordnung
gemäß Fig. 1 im vertikalen Schnitt, und in vergrößertem Maßstab, Figur 3a eine Ansicht
des Ausgangsendes eines Ausführungsbeispiels eines Schalldämpfers am Ausgang der
Kühlanordnung,
Figur 3b einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig.
3a, Figur 4 schematisch einen Teil eines Dreiphasentransformators in Draufsicht
mit Kühlananordnungen gemäß der Erfindung.
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Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels
einer Kühlanordnung gemäß der Erfindung für einen Transformator im horizontalen
Schnitt.
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Die Kühlanordnung besteht aus einem Lüfter 2 mit Antriebsmotor 3 und
einem Kühler 5, wobei Lüfter 2 und Kühler 5 über einen Druckkanal oder eine Druckkammer
4 miteinander verbunden sind. Am Eingang des Lüfters ist ein Schalldämpfer 1 und
am Ausgang des Kühlers 5 ist ein Schalldämpfer 6 angeordnet. Der Lüfter saugt Kühlluft
aus der Umgebung an und drückt sie durch den Kühler 6, der im Ausführungsbeispiel
von dem Öl oder sonstigen Kühlmittel eines Transformators durchflossen werden kann.
Die Pfeile kennzeichnen den Strömungsverlauf der Luft. Der Lüfter hat einen kreisringförmigen
Strömungskanal 21, in welchem das Lüfterrad 22 mit den Lüfterschaufeln 23 rotiert
(siehe Fig.
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2) und in welchem auch die feststehenden Leitschaufeln 24 angeordnet
sind, die in Strömungsrichtung hinter den Lüfterschaufeln liegen und den Luftstrom
in Achsrichtung des Lüfters lenken. Der Lüftermotor 3 ist an die zentrale Nabe 25
der Leitschaufeln angeflanscht, und der Motor 3 mit dem Lüfterrad 22 ist über die
Leitschaufeln am Lüftergehäuse 26 befestigt, das seinerseits an der Frontplatte
42 des Kühlkanalgehäuses 41 befestigt ist.
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Gemäß der Erfindung ist unmittelbar vor der Ansaugseite des Lüfters
2 ein Schalldämpfer 1 angeordnet, der aus einem mit schallschluckendem Material
12 gefüllten Gehäuse 11 besteht, wobei in dem schallschluckendem Material ein kreisringförmiger
Ansaugkanal 13 angeordnet ist. An der Ansaugseite des Lüfters ist der Ansaugkanal
13 an die kreisringförmige Ansaugöffnung des Lüfters möglichst stufenlos angepaßt.
Der Ansaugkanal 13 # hesteht <#us Pi nnrn in
den Lüfter angrenzenden
Abschnitt 13b mit praktisch konstantem mittlerem Durchmesser D und einem sich an
den Abschnitt 13b anschließenden Abschnitt 13a, dessen mittlerer Durchmesser D sich
zu der Eintrittsöffnung des Schalldämpfers hin ständig vergrößert. Dabei verengt
sich der Ansaugkanal 13 in solcher Weise, daß der Querschnitt des Ansaugkanals 13
an allen Stellen der Längskoordinate x des Schalldämpfers in Strömungsrichtung etwa
gleich groß ist.
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Der Strömungsquerschnitt des Ansaugkanal 13 hat etwa die gleiche Größe
wie der Strömungskanal 21 des Lüfters.
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Vorzugsweise wird er etwas größer gemacht, wie es auch im Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 2 erkennbar ist. Um einen stufenförmigen Übergang am Eingang des Lüfters
zu vermeiden, ist in Fig. 2 die Nabe des Lüfterrades 22 an der Eingangsseite verjüngt
ausgebildet. Natürlich kann diese Anpassung der Querschnitte am Lüftereingang auch
durch eine stufenfreie Verengung des Ansaugkanals 13 an seinem Austrittsende vorgenommen
werden bzw. auch im Bereich des äußeren Durchmessers des Ansaugkanal 13 des Schalldämpfers
und/oder des Strömungskanals 21 des Lüfters.
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Die Nabe des Lüfterrades ist so ausgebildet, daß der Schalldämpfer
1 mit seiner ebenen Anschlußseite sehr dicht an die den Strömungskanal begrenzenden
Flächen der Lüfterradnabe herangerückt werden kann. Aus diesem Grunde ist die Lüfterradnabe
an der Ansaugseite mit einer ebenen Begrenzungsfläche ausgebildet. Zwischen Schalldämpfer
und Lüfterradnabe ist lediglich ein Toleranzspalt zur Vermeidung eines Anschlagens
der rotierenden Lüfterradnabe gegen den Schalldämpfer erforferlich.
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Die Wände 14 des Ansaugkanals 13 sind vorzugsweise mit glattem perforiertem
Material, vorzugsweise korrosionsfestem Blech, ausgekleidet.
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Der zentrale Kern 15 des Schalldämpfers wird von Stegen 16 getragen,
die vorzugsweise aus flachen, an den Kanten abgerundeten Metallplatten bestehen,
deren Breitseiten
parallel zur Strömungsrichtung liegen. In Längsrichtung
des Schalldämpfers 1 liegen die Stege 16 möglichst weit vom Lüfter entfernt. Ihre
Anzahl und/oder die Winkelabstände zwischen den Stegen (Teilungswinkel) sind vorzugsweise
verschieden von der Anzahl und den entsprechenden Teilungswinkeln der Schaufeln
des Lüfterrades.
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An der Eingangsseite des Schalldämpfers sind die Eintrittskanten 17
vorzugsweise stark abgerundet. Die Frontplatte 18 besteht nötigenfalls aus wetterbeständigem
Material.
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Der Querschnitt des gesamten Schalldämpfers 1 senkrecht zur Strömungsrichtung
ist vorzugsweise quadratisch. Er kann aber auch eine andere Form , z.B. eine Kreisform,
haben.
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Die Länge des kreiszylindrischen Abschnittes 13b des Ansaugkanals
13 beträgt vorzugsweise das Ein-bis Zweifache der radialen Breite des Ansaugkanals
in diesem Abschnitt und sollte mindestens gleich dem Einfachen der genannten radialen
Breite sein.
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Die Länge des konischen Abschnitts 13a des Ansaugkanals wird bestimmt
in Abhängigkeit der gewünschten Dämpfung, des zulässigen Druckabfalls und des verfügbaren
Raumes. Die Gesamtlänge des Schalldämpfer sollte den Durchmesser des Lüfterrades
nicht unterschreiten.
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Die radiale Dicke des radial außerhalb des Ansaugkanals 13 liegenden
schallschluckenden Materials beeinflußt den Grad der Dämpfung im Niederfrequenzbereich.
Die genannte radiale Dicke sollte bei Kühlanordnungen für große Transformatoren
mindestens 50 mm betragen, vorzugsweise sollte sie über 150 mm betragen.
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Durch die Wahl des ansaugseitigen Schalldämpfers 1 und seinen Anschluß
an den Lüfter 2 wird eine erhebliche Herabsetzung des nach außen dringenden vom
Lüfter erzeugten
Schalls erzielt. Hierzu tragen einerseits die
günstigen Strömungsverhältnisse im Schalldämpfer und in der Übergangszone zum Lüfter
bei, die einen nur geringen Druckabfall verursachen, was eine Verkleinerung der
erforderlichen Lüfterleistung und damit des erzeugten Schalls zur Folge hat.
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Andererseits wird durch den Schalldämpfer 1 eine hervorragende Dämpfung
des erzeugten Schalls erzielt. Da bei gleichbleibendem Querschnitt und nach außen
zunehmendem mittlerem Durchmesser des Ansaugkanal 13 die radiale Breite des Ansaugkanal
13 viele verschiedene Werte durchläuft und zur Eingangsseite des Schalldämpfers
relativ klein wird, erhält man eine sehr breitbandige Dämpfung des Schalls.
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Insbesondere die hohen Frequenzen werden wegen der geringen radialen
Breite des Ansaugkanal 13 im Eintrittsbereich sehr stark gedämpft, ohne daß diese
geringe Breite des Spaltes mit einer Vergrößerung des Strömungswiderstandes verbunden
ist. Auch die Umlenkung der Schallwelle an der Übergangsstelle zwischen den beiden
Abschnitten 13a und 13b des Ansaugkanals 13 trägt zur Schalldämpfung bei.
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Es versteht sich, daß der Ansaugkanal 13 im Schalldämpfer 1 mit Ausnahme
der Anschlußseite an den Lüfter nicht einen kreisringförmigen Querschnitt zu haben
braucht.
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Beispielsweise kann der Querschnitt auch ellipsenringförmig sein.
Lediglich an der Austrittsseite muß der Ansaugkanal 13 zur Anpassung an den Lüfter
kreisringförmig ausgebildet sein, wobei sich diese kreisringförmige Form vorzugsweise
über eine gewisse Strecke in den Schalldämpfer hineinerstreckt. Ferner braucht die
Änderung des mittleren Durchmessers D in dem sich erweiternden Abschnitt 13a des
Ansaugkanals 13 nicht linear als Funktion der Längskoordinate x zu erfolgen. Beispielsweise
kann die Zunahme des Durchmessers D nahe der Eingangsseite des Schalldämpfers größer
sein als in tiefergelegenen Bereichen des Ansaugkanals.
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An der Ausgangsseite des Kühlers 5 ist bei einer Kühlanordnung gemäß
der Erfindung in der Regel ein Schalldämpfer 6 vorgesehen, der im Ausführungsbeispiel
gemäß Figur 1 in an sich bekannter Weise aus einem an zwei gegenüberliegenden Seiten
offenen Gehäuse 64 besteht, in welchem eine Vielzahl von Balken 62 mit quadratischem
Querschnitt in mehreren parallelen Reihen horizontal übereinander und in Strömungsrichtung
ausgerichtet angeordnet sind. Diese Balken werden über dünne Verbindungsstäbe 65
direkt oder indirekt von den Wänden des Gehäuses 64 getragen. Die Balken bestehen
aus schallschluckendem Material, das aus mechanischen Gründen vorzugsweise mit glattem
perforiertem Material verkleidet ist. Gemäß der Erfindung wird eine weitere Verminderung
des von der Kühlanordnung erzeugten Schalles dadurch erreicht, daß die von den Balken
62 gebildeten horizontalen Reihen gegeneinander versetzt sind, so wie dies Figur
3a zeigt.
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Jede zweite Reihe hat dabei an ihren Enden Balken 62a, die etwa nur
halb so breit wie die übrigen Balken sind und die vorzugsweise unmittelbar an der
Wand des Gehäuses 64 anliegen.Natürlich können die versetzten parallelen Reihen
ebenso gut vertikal statt horizontal verlaufen. Diese Anordnung hat zur Folge, daß
die Anzahl der vorkommenden unterschiedlich langen Abstände zwischen benachbarten
Balken erheblich vergrößert wird, was eine breitbandigere Dämpfung des Schalles
bewirkt.
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Eine weitere Verbesserung der schalldämmenden Eigenschaften und der
Strömungsverhältnisse des Schalldämpfers 6 wird gemäß der Erfindung dadurch erzielt,
daß die Balken am Ausgangsende des Schalldämpfers 6 mit einem sich verjüngenden
Abschnitt 66 versehen sind, wie dies am besten aus Figur 3b ersichtlich ist. Dabei
beträgt der Winkel Alpha, den die sich verjüngenden Flächen mit der Horizontalen
bilden, vorzugsweise 5 bis 20 Grad. Für die Länge der Abschnitte 66 gilt, daß die
maximale Reduktion der linearen Abmessungen durch die Verjüngung vorzugsweise 40
bis 50 Prozent betragen soll, d.h.,daß b2 etwa 0,5 bis
0,6 x bl
betragen soll (Figur 3a).
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Die Querschnittsform der Balken 62 kann auch anders als quadratisch,
z.B. rechteckförmig oder kreisförmig, sein.
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Schließlich wird gemäß der Erfindung eine weitere Verminderung der
Schallerzeugung durch die Kühlanordnung dadurch erzielt, daß der Druckkanal 4 zumindest
an denjenigen inneren Wandabschnitten mit schallschluckendem Material 43 ausgekleidet
ist, auf welche die strömende Luft gerichtet ist und an denen sie umgelenkt wird.
Dies ist in Figur 1 insbesondere der in Verlängerung der Austrittsseite des Lüfters
2 liegende Teil der Wand. Dort, wo die Kanalwand mit dem schallschluckendem Material
verkleidet ist, wird auch dieses vorzugsweise durch perforiertes dünnes glattes
Material, z.b. Blech, abgedeckt.
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Figur 4 zeigt in Draufsicht schematisch die eine Hälfte eines großen
Transformators, vorzugsweise eines Grenzleistungstransformators. Dabei werden mit
71 zwei der drei auf je einem Schenkel sitzenden Phasenwicklungen angedeutet. 72
bezeichnet die Wand des Transformatorkessels. In dem mit A bezeichneten Bereich
ist innerhalb des Kessels auf der einen Seite des Transformators ein Stufenschalter
und auf der anderen, nicht dargestellten Seite eine Vordrossel angeordnet. Mit B
ist der Raum bezeichnet, der für die Unterbringung der Kühlanordnung im wesentlichen
zur Verfügung steht. Im unteren rechten Teil der Figur 4 ist die Unterbringung einer
Kühlanordnung innerhalb dieses begrenzten Bereiches dargestellt. Die für Kühlanordnungen
gemäß der Erfindung nutzbaren Bereiche B befinden sich an allen vier vertikalen
Kantenbereichen des Transformators. In vertikaler Richtung können in jedem Kantenbereich
mehrere Kühlanordnungen, vorzugsweise zwei, übereinander angeordnet werden. Dabei
können beide Kühlanordnungen auf einen gemeinsamen, entsprechend hohen Luftkühler
arbeiten.
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