EP0177667A1 - Einrichtung zur Verbesserung der Strömungsumlenkung von Rauchgas und der Flugascheabscheidung in einem Mehrzugkessel - Google Patents

Einrichtung zur Verbesserung der Strömungsumlenkung von Rauchgas und der Flugascheabscheidung in einem Mehrzugkessel Download PDF

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EP0177667A1
EP0177667A1 EP19850103578 EP85103578A EP0177667A1 EP 0177667 A1 EP0177667 A1 EP 0177667A1 EP 19850103578 EP19850103578 EP 19850103578 EP 85103578 A EP85103578 A EP 85103578A EP 0177667 A1 EP0177667 A1 EP 0177667A1
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flow
flue gas
blade
deflection
degrees
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Georg Schulz
Alexander Jachimowski
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Von Roll AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J15/00—Arrangements of devices for treating smoke or fumes
    • F23J15/02—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material
    • F23J15/022—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material for removing solid particulate material from the gasflow
    • F23J15/027—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material for removing solid particulate material from the gasflow using cyclone separators

Definitions

  • the invention is in the field of cleaning flue gases, in particular flue gases from waste incinerators. and relates to a device for improving the flow deflection of flue gas and the fly ash separation in a multi-pass boiler.
  • the object is achieved by a blade grille arranged in the deflection area of a lower deflection between two vertical trains.
  • a blade grille arranged in the deflection area of a lower deflection between two vertical trains.
  • stripping edges which g is the current tranquilizer into a direct flow in the outflow of the blade itters not significantly affect.
  • the flue gas deflection as shown in FIGS. 1 and 2, essentially shows the difference between a deflection without and with steering elements, which steering elements are installed for the purpose of preventing the formation of eddies during such a deflection.
  • the task of this steering member shown according to prior art is to provide a Gleichströmun g after deflection to achieve.
  • FIG. 2 shows an attempt to suppress these undesirable flow conditions by means of a first steering element in the form of a plate 16 and a further steering element in the form of a projection 18 arranged in a specific position.
  • FIGS. 3A and 3B serve to discuss this.
  • FIG. 3A shows, based on FIG. 1, a flow pattern in a flue gas deflection without steering elements.
  • the flue gas flows at E through the downward path in the arrow direction to the deflection U, with a (mean) deflection radius R through it and in the arrow direction at A out of the deflection U into the upward train.
  • the boundary areas of the flow are designated by G.
  • FIG. 3B shows, for the same reason, the flow pattern in a flue gas deflection with a vane grille, as taught by the invention.
  • the vane grille generally has n vanes, only two of them in favor of a clear representation in FIG.
  • n shoveling the vane grille the flow is divided proportionally into n + 1 individual flows.
  • Each of these partial flows behaves essentially the same as the flow according to FIG. 3A, i.e. each partial flow shows the same or at least very similar flow profile.
  • the shape of the blades or wings of the blade grille is of considerable importance from the theory of the blade grids for turbomachines.
  • the vane grille also called the row of wings, is derived in detail from the wing; the pressure drop (or pressure increase) in the grid is functionally linked to the shape of the wing.
  • the flat plate can easily be used in the velocity field for flue gas flows.
  • the angle of attack Flow should be 90 degrees or less at such a level, but placed under gravity in such a way that it has an angle of repose for the flue gas particles to slide off of 45 degrees or greater.
  • the goal of a solution for wide application is thus achieved through the use of vane grids in flue gas deflections.
  • a derived variant of the flat plate is the "bent" plate with an obtuse, essentially transverse to the flow direction, for example, between 120 and 180 degrees.
  • Such a bent plate still corresponds to the flat plate, although the effect is in the direction of one curved blade developed.
  • a correspondingly polygonally bent plate would approach the plane.
  • the efficiency of the vane grille can be improved if part of the (flat) vanes is bent, preferably the vanes closer to the central wall M of the vertical train.
  • a single kink in the upper third region of the blade, as viewed in the direction of flow, has proven to be expedient. Two and more Abknickun g s at the same blades provide any special beneficial effect, but more expensive production thereof.
  • FIG. 4 and 5 show two preferred embodiments of the invention.
  • the boiler train 30 is fixed in a suspension 35; it is parallel to the vertical train Gravity.
  • the partition wall M divides the vertical train into a downward train E and an upward train A, according to the flow arrows.
  • an aggregate 40 is arranged, for example., A heat exchanger, which is flown by the blade cascade Sl / S2 / S3 forth.
  • the lengths 1 of the individual blades S1, S2, S3 are each different; they increase towards the outer area of the current; on the other hand, the distance between the blades is constant, they are arranged equidistantly.
  • the blades in FIG. 4 the blades in FIG.
  • the invention shows the following properties and features in a ruched representation: It is a device for improving the flow deflection of flue gas and the fly ash separation in a multi-pass boiler characterized by an n-blade vane grill (S1 / S2 /.../ Sn) in the deflection (U ) of the vertical train (30).
  • the blades (S1, S2, ..., Sn) of the blade grille (Sl / S2 /.../ Sn) in the deflection (U) of the vertical train (30) are preferably arranged in the transition area of the upward train (A) and the blade g itter (S1 / S2 /.../ Sn) consists of flat blades (Sl, S2, ..., Sn).
  • the blades (Sl, S2, ..., Sn) have an angle of attack to the flow of less than or equal to 90 degrees and an angle of inclination to gravity of less than or equal to 45 degrees.
  • the angle of attack is preferably 90-80 degrees and the angle of inclination is equal to 20-40 degrees.
  • the t / 1 ratio is generally ⁇ 1, the blade length 1 corresponding to an average value and t to an average blade spacing for different blade lengths of the blades (S1, S '', ..., Sn).
  • the blades (S1, S2, ..., Sn) preferably have a scraper edge (K1, K2, .... Kn) at the outflow end, the angle enclosed between the blade and the scraper edge being 90-45 degrees.

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Abstract

Die Einrichtung zur Verbesserung der Strömungsumlenkung von Rauchgas und der Flugascheabscheidung in einem Mohrzugkessel weist ein n-schaufeliges Schaufelgitter (S1/S2/.../Sn) in der Umlenkung (U) des Vertikalzuges (30). Die Schaufeln (S1,S2...,Sn) des Schaufelgitters (S1/S2/.../Sn) in der Umlenkung (U) des Vertikalzuges (30) sind vorzugsweise im Übergangsbereich des Aufwärtszuges (A) angeordnet und das Schaufelgitter (S1/S2/.../Sn) besteht aus ebenen Schaufeln (S1,S2...,Sn).

Description

  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Reinigung von Rauchgasen, insbesondere von Rauchgasen aus Abfallverbrennungs- öfen. und betrifft eine Einrichtung zur Verbesserung der Strömungsumlenkung von Rauchgas und der Flugascheabscheidung in einem Mehrzugkessel.
  • Die Rauchgasleitung durch einen Mehrzugkessel bringt, gegenüber einer solchen in einem sog. "Einzugkessel", eine ganz ihr eigene Problematik, nämlich die der u.U. mehrfachen Umlenkung des Rauchgasstromes in die nacheinander geschalteten vertikalen Züge. Es sind also im wesentlichen 180grad Umlenkungen mit allen bekannten gasdynamischen Schwierigkeiten, vermehrt um die Probleme,die entstehen, wenn es sich um Feststoff/Gas-Gemische, also Rauchgase, oder um Feststoff/Flüssigkeit/Gas-Gemische, für die es keine eigentliche Bezeichnung gibt. Im Rauchgas handelt es sich in den seltensten Fällen um einen eigentlichen Rauch, meistens sind es "Nebel-Rauche", wobei der Flüssiganteil nicht selten durch den flüssigen Aggregatzustand des Feststoffanteils gebildet wird. Die einzelnen Phasen sind nicht nur temperatur- sondern auch noch, von der Anzahl der eingemischten Komponenten her gesehen, konzentrationsabhängig. So treten je nach Rauchgasgeschindigkeit und Feststoffanteil an im Rauchgasstrom angeordneten Aggregaten Erosionen, und bei Flüssigphasen-Anteilen durch bspw.haftende Verschmutzung auch Korrosionen auf.
  • Sehr störend und kostspielig sind die sog. einseitigen Abnützungen an solchen Aggregaten. Das sind Schäden, bei denen im Extremfall eine Seite des Aggregats, die weniger ange~ strömt ist, praktisch unbeschädigt bleibt, während die der Strömung stark ausgesetzte Seite durch Erosion und Korrosion derart beschädigt ist, dass ein Ersatz, meist des ganzen Aggregats vorgesehen werden muss.
  • Dieses Problem wird bspw. gemäss der DE-OS 28 05 671 zu lösen versucht, in dem man in der unteren Umlenkung von einem Vertikalzug in den anderen eine den Rauchgasstrom in zwei Teilströme aufteilende Lenkwand zusammen mit zwei weiteren, den Rauchgasstrom trimmenden Lenknasen anbringt. Diese Massnahme verbessert die Strömungsverhältnisse in der Umlenkung wohl. ist aber als solche sehr stark von einer ganzen Anzahl "Vorbedingungen" abhängig um optimal wirken zu können. Mit andern Worten: es fehlt ihr nach dem Festlegen von Dimension und Anordnung zum Zug, Umlenkung und Aggregat eine gewisse Wirkungsbreite. um mit den veränderlichen Bedingungen in einem Rauchgaszug fertig zu werden.
  • Es ist also Aufgabe der Erfindung, in der Einströmzone des strömungsmässig aufwärtsvertikalen Zuges, wo üblicherweise solche Aggregate wie Wärmeaustauscher etc. angeordnet sind, eine über den Querschnitt des Zuges im wesentlichen homogen verteilte und gerichtete Rauchgasströmung herzustellen, sodass die Anströmung der nachfolgenden Aggregate auch bei wechselnden Einströmbedingungen möglichst gleichmässig erfolgt.
  • Ferner ist es Aufgabe der Erfindungeinen erhöhten Flugascheaustrag während der Rauchgasumlenkung herbeizuführen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein im Umlenkbereich einer unteren Umlenkung zwischen zwei Vertikalzügen angeordnetes Schaufelgitter. Um einen erhöhten Partikelaustrag zu unterstützen, dienen als besondere Ausführungsform Abstreifkanten, welche die Stromberuhigung in eine Gleichströmung im Ausströmbereich des Schaufelgitters nicht wesentlich beeinträchtigen.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der nachfolgend aufgeführten Figuren eingehend diskutiert. Es zeigen:
    • Figur 1 eine Rauchgasumlenkung ohne Lenkorgane gemäss Stand der Technik (Fig. 1 der obigen DE-OS)
    • Figur 2 eine Rauchgasumlenkung mit Lenkorganen gemäss Stand der Technik (Fig.3 derselben DE-OS)
    • Figur 3A eine Geschwindigkeitsverteilung in einer Rauchgasumlenkung ohne Lenkorgane.
    • Figur 3B eine Geschwindigkeitsverteilung in einer Rauchgasumlenkung mit einem Schaufelgitter gemäss Erfindung.
    • Figur 4 ein erstes Ausführungsbeispiel gemäss Erfindung.
    • Figur 5 ein zweites Ausführungsbeispiel gemäss Erfindung.
  • Die Rauchgasumlenkung, wie sie die Figuren 1 und 2 darstellen, zeigen im wesentlichen den Unterschied einer Umlenkung ohne und mit Lenkorganen, welche Lenkorgane zum Zweck eingebaut werden, um die Wirbelbildung bei einer solchen Umlenkung zu verhindern. Die Aufgabe dieses gezeigten Lenkorgans gemäss Stand der Technik ist es, eine Gleichströmung nach der Umlenkung zu erreichen. Wie in der zugehörigen DE-OS 28'05'671 beschrieben, ist in den Rauchgasumlenkungen ohne Lenkorgane, eine ungleichmässige, einseitige Belastung der nachgeschalteten Aggregate zu erwarten. Figur 2 zeigt einen Versuch, diese unerwünschten Strömungsverhältnisse mittels eines ersten Lenkorgans in Form einer Platte 16 und eines weiteren Lenkorgans in Form eines in bestimmter Position angeordneten Vorsprunges 18 zu unterdrücken. Es bestätigte sich jedoch, dass diese Anordnung nur in einem bestimmten Bereich von strömungsbestimmenden Variablen zufriedenstellend arbeitet und ausserhalb dieses Bereiches in empirischer Manier weitere dritte und vierte, meist ganz verschieden ausgelegte Lenkorgane dort angeordnet werden müssen, wo sie den gewünschten Effekt erzielen. Dies führte zu "nichtallgemeinen", d.h. jeweils massgeschneiderten Anordnungen von ebenso verschieden geformten Lenkorganen.
  • Die Erfindung lehrt hier eine allgemeinere Lösung, die lediglich in verschiedenen Ausführungsformen Unterschiede zeigt, ohne dabei das Grundkonzept zu verlassen. Um dies zu diskutieren, dienen die beiden Figuren 3A und 3B.
  • Figur 3A zeigt in Anlehnung an Figur 1 ein Strömungsbild in einer Rauchgasumlenkung ohne Lenkorgane. Im Vertikalzug 30 mit einer Trennwand M, strömt bei E das Rauchgas durch den Abwärtszuq in Pfeilrichtung zur Umlenkung U, mit einem (mittleren) Umlenkradius R durch diese hindurch und in Pfeilrichtung bei A aus der Umlenkung U in den Aufwärtszug. Die Grenzbereiche der Strömung sind mit G bezeichnet. In den Aufwärtszug eingezeichnet ist ein Geschwindigkeitsdiagramm: V=F (x) ; x ist die Breite des Aufwärtszuges. Aus Kontinuitätsgründen bleibt das V-Profil in der feinwirbeligen Gleichströmung nach der Umlenkung U im wesentlichen erhalten. Figur 3B zeigt, aus der gleichen Ueberlegung heraus das Strömungsbild in einer Rauchgasumlenkung mit einem Schaufelgitter, wie es die Erfindung lehrt. Das Schaufelgitter weist allgemein n Schaufeln auf, zugunsten einer klaren Darstellung in Figur 3B lediglich deren zwei. Durch n Schaufeln des Schaufelgitters, wird die Strömung proportional in n+1 Einzelströmungen aufgeteilt. Jeder einzelne dieser Teilströme verhält sich im wesentlichen gleich wie die Strömung gemäss Figur 3A, d.h., jeder Teilstrom zeigt das gleiche oder zumindest sehr ähnliche Strömungsprofil.
  • Das Rauchgas strömt durch den Abwärtszug bei E in die Umlenkung mit dem Schaufelgitter Sl/S2/.../Sn und bei A in n+1 Teilströme aufgeteilt in den Aufwärtszug. Die jetzt mehrfach vorkommenden Grenzbereiche der Strömungen sind mit G1, G2, G3 usf. bezeichnet. Die (mittleren) Umlenkradien an der Trennwand M und den Schaufeln sind nun r < R bzw. r = R/(n+1). Ueber die Breite des Aufwärtszuges ist das resultierende Strömungsprofil V = F(x) gezeichnet. Die im praktischen Versuch bestätigte "Homogenisierung" der (n+1)-Ausgangsströmung mit dem (n+1)-Geschwindigkeitsprofil, zeigt eine markante Verbesserung zum Stand der Technik gemäss Figur 3 der DE-OS 28'05'671.
    Wird in einer weiteren Betrachtung die Strömung als Partikelstrom verstanden, so gelten bezogen auf n Schaufeln des Schaufelgitters folgende Beziehungen:
  • Die Zentrifugalkräfte die auf die Staubteilchen wirken sind
    Figure imgb0001
    • mit m = Partikelmasse ; w = Rotationsgeschwindigkeit der abgelenkten Strömung
    • v = Strömungsgeschwindigkeit

    Nebst der Verbesserung des Strömungsbildes, wie oben ausgeführt, resultiert also auch eine Verbesserung der Abscheidung von Rauchgaspartikeln aus dem Rauchgasstrom.
  • Aus der Theorie der Schaufelgitter für Strömungsmaschinen kommt der Form der Schaufeln oder Flügel des Schaufelgitters eine erhebliche Bedeutung zu. Das Schaufelgitter, auch Flügelreihe genannt, leitet sich im einzelnen vom Tragflügel ab; der Druckabfall (oder Druckanstieg) im Gitter ist funktionell mit der Form des Flügels verknüpft. Für die Abhängigkeit der Flügeleigenschaften von der Flügelform, kann im Geschwindigkeitsfeld für Rauchgasströmungen ohne weiteres die ebene Platte herangezogen werden. Der Anstellwinkel zur Strömung soll bei einer solchen 90 grad oder kleiner sein, jedoch so zur Schwerkraft gestellt, dass sie einen Schüttwinkel zum Abgleiten der Rauchgaspartikel von 45 grad oder grösser aufweist. Ein Gitter aus ebenen Schaufeln, ein Streckenprofil also, kann im Winkel zur Gitternormalen so eingestellt werden, dass bei t = Schaufelabstand und 1 = Schaufellängen (evtl. oder bspw. als mittlerer Werte von Schaufeln diverser Längen) und dem Verhältnis t/l, im praktisch gesamten, in der Praxis vorkommenden Geschwindigkeitsfeld für Rauchgase in Kesselzügen, ausreichende Gitterwirkungszahlen erreicht werden können. Damit ist das Ziel einer Lösung für breite Anwendung durch den Einsatz von Schaufelgittern in Rauchgasumlenkungen erreicht.
  • Eine abgeleitete Variante der ebenen Platte ist die "geknickte" Platte mit einem stumpfen, im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung stehenden Knickwinkel von bspw. zwischen 120 und 180 grad. Solch eine geknickte Platte entspricht immer noch der ebenen Platte, obschohn die Wirkung sich in Richtung einer gebogenen Schaufel entwickelt. In weiterer Konsequenz würde sich eine entsprechend polygonal geknickte Platte der ebenen annähern. Es zeigte sich aber, dass der Wirkungsgrad des Schaufelgitters sich verbessern lässt, wenn ein Teil der (ebenen) Schaufeln geknickt wird und zwar vorzugsweise die der Mittelwand M des Vertikalzuges näheren Schaufeln. Zweckmässig hat sich ein einziger Knick im zur Strömungsrichtung betrachtet oberen Drittelbereich der Schaufel erwiesen. Zwei und mehr Abknickungen an derselben Schaufeln bringen keinen besonderen vorteilhaften Effekt, verteuern aber deren Herstellung.
  • Die Figuren 4 und 5 zeigen noch zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Der Kesselzug 30 ist in einer Aufhängung 35 befestigt; er steht als Vertikalzug parallel zur Schwerkraft. Die Trennwand M teilt den Vertikalzug in einen Abwärtszug E und einen Aufwärtszug A, gemäss den Strömungspfeilen. Im Aufwärtszug ist ein Aggregat 40 angeordnet, bspw. ein Wärmeaustauscher, welcher vom Schaufelgitter Sl/S2/S3 her angeströmt wird. Die Längen 1 der einzelnen Schaufeln S1, S2, S3 sind jeweils verschieden; sie nehmen gegen den äusseren Bereich der Strömung zu; dagegen ist der Abstand der Schaufeln zueinander konstant, sie sind äquidistant angeordnet. Im Unterschied zu Figur 4 haben die Schaufeln in Figur 5 am Strömungsausgang eine Abscheidekante K1, K2, K3, die jeweils senkrecht zur abgehenden Strömung steht; diese Abscheidekanten erschweren bis verhindern ein Mitreissen der ausgeschiedenen Partikel durch die Strömung. Sie unterstützen also den Partikelaustrag. wie dies oben schon erwähnt wurde.
  • In geraffter Darstellung zeigt die Erfindung folgende Eigenschaften und Merkmale: Es ist eine Einrichtung zur Verbesserung der Strömungsumlenkung von Rauchgas und der Flugascheabscheidung in einem Mehrzugkessel gekennzeichnet durch ein n-schaufeliges Schaufelgitter (S1/S2/.../Sn) in der Umlenkung (U) des Vertikalzuges (30). Die Schaufeln (S1,S2,...,Sn) des Schaufelgitters (Sl/S2/.../Sn) in der Umlenkung (U) des Vertikalzuges (30) sind vorzugsweise im Uebergangsbereich des Aufwärtszuges (A) angeordnet und das Schaufelgitter (S1/S2/.../Sn) besteht aus ebenen Schaufeln (Sl,S2,...,Sn).
  • Die Schaufeln (Sl,S2,...,Sn) weisen einen Anstellwinkel zur Strömung von kleiner oder gleich 90 grad und einen Neigungswinkel zur Schwerkraft von kleiner oder gleich 45 grad auf. Vorzugsweise ist der Anstellwinkel 90 -80 grad und der Neigungswinkel gleich 20 - 40 grad beträgt.
  • Das t/1-Verhältnis ist in der Regel < 1 , wobei die Schaufellänge 1 bei verschiedenen Schaufellängen der Schaufeln (S1,S'',...,Sn) einem Mittelwert und t einem mittlerer Schaufelabstand entspricht.
  • Vorzugsweise weisen die Schaufeln (S1,S2,...,Sn) am Abströmende eine Abstreifkante (K1,K2,....Kn) auf, wobei der zwischen Schaufel und Abstreifkante eingeschlossene Winkel 90 - 45 grad beträgt.

Claims (9)

1. Einrichtung zur Verbesserung der Strömungsumlenkung von Rauchgas und der Flugascheabscheidung in einem Mehrzugkessel, gekennzeichnet durch ein n-schaufeliges Schaufelgitter (S1/S2/.../Sn) in der Umlenkung (U) des Vertikalzuges (30).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (S1,S2,...,Sn) des Schaufelgitters (S1/S2/.../Sn) in der Umlenkung (U) des Vertikalzuges (30) im Uebergangsbereich des Aufwärtszuges (A) angeordnet sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelgitter (S1/S2/.../Sn) aus ebenen Schaufeln (S1,S2,...,Sn) besteht.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (S1,S2,...,Sn) einen Anstellwinkel zur Strömung von kleiner oder gleich 90 grad und einen Neigungswinkel zur Schwerkraft von kleiner oder gleich 45 grad aufweisen.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel 90 -80 grad und der Neigungswinkel gleich 20 - 40 grad beträgt.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das t/1-Verhältnis < 1 ist, wobei die Schaufel länge 1 bei verschiedenen Schaufellängen der Schaufeln (S1,S'',...,Sn) ein Mittelwert und t ein mittlerer Schaufelabstand ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (S1,S2,...,Sn) am Abströmende eine Abstreifkante (K1,K2,...,Kn) aufweisen.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen Schaufel und Abstreifkante eingeschlossene Winkel 90 - 45 grad beträgt.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der ebenen Schaufeln (S1,S2,...,Sn) des Schaufelgitters (Sl/S2/.../Sn) einen quer zur Strömungsrichtung durchgehenden Knick zwischen 120 und 180 grad aufweisen.
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