EP2128537A2 - Wärmetauscher - Google Patents

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EP2128537A2
EP2128537A2 EP09006653A EP09006653A EP2128537A2 EP 2128537 A2 EP2128537 A2 EP 2128537A2 EP 09006653 A EP09006653 A EP 09006653A EP 09006653 A EP09006653 A EP 09006653A EP 2128537 A2 EP2128537 A2 EP 2128537A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
section
channels
cross
collectors
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09006653A
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English (en)
French (fr)
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EP2128537A3 (de
Inventor
Werner Dr. Klausmann
Roger DÖNGES
Gunthard Görge
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Viessmann Generations Group GmbH and Co KG
Original Assignee
Viessmann Werke GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP2128537A2 publication Critical patent/EP2128537A2/de
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24HFLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/40Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes
    • F24H1/403Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes the water tubes being arranged in one or more circles around the burner
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/163Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
    • F28D7/1638Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing with particular pattern of flow or the heat exchange medium flowing inside the conduits assemblies, e.g. change of flow direction from one conduit assembly to another one

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of patent claim 1.
  • a heat exchanger of the type mentioned is according to the DE 31 05 598 A1 known. This consists of a first and a second so-called collector for a first fluid medium supplied and discharged through return and flow connections. Between the two collectors through the first fluid medium can be flowed through, an elongated cross-section having connecting channels are provided, which communicate with the collectors via flow openings. Between each two connecting channels is thereby a fürströmspalt for a second fluid medium.
  • each adjacent connecting channels which must be used with their slot-like cross-section in the corresponding perforated connecting walls of the collector fluid-tight and connected, are alternately flowed through in countercurrent (which is not of interest here).
  • the invention has the object of reshaping and improving a heat exchanger of the type mentioned in that, while maintaining appropriate heat exchange function, the manufacturability of such a heat exchanger is much easier or less expensive.
  • each flow-through opening has a cross-section which is dimensioned smaller than the slot-like cross-section of a connecting channel.
  • the connecting channels for their fluid-tight connection to the collector walls in these need not correspond to the connecting channel cross section corresponding cross-sectional fitting or fitting openings in the collector walls, but correspondingly smaller, which advantageously leads to significantly more space for the fluid-tight integration the connection channels is available in the respective collector walls, in spite of maintaining the relatively narrow fürströmspalte for the second flow medium between the parallel to each other from collector to collector extending connecting channels.
  • the solution according to the invention advantageously has only a very low flow resistance (water-side pressure loss) with respect to the first fluid medium (heating circuit water).
  • the connecting channels preferably define a cylinder jacket surface (more generally: a curved plane), but a solution is equally well conceivable in which the connecting channels are arranged in a plane next to one another (flat heat exchanger, in which the collectors, so to speak form the cross connection between the connection channels).
  • FIGS. 1 . 2 illustrate, in a known manner, a first and a second collector 1, 2 for a first fluid medium (heat transfer medium, typically water), wherein between the collectors 1, 2 from the first fluid medium through-flow, a slot-like (especially non-circular or non-circular ) Having cross-section connecting channels 3 are provided.
  • a first fluid medium heat transfer medium, typically water
  • connection channels 3 which may be formed for example of aluminum, steel or stainless steel, are connected to the collectors 1, 2 via flow openings 4 in hydraulic communication, between each two connecting channels 3, a modifiable fluid medium (hot gases) is present ,
  • the fürströmspal 5 has typically seen in the main flow direction of the second medium over a certain path length to a constant width.
  • FIG. 5 For such a heat exchanger is now with reference to FIG. 5 essential that the flow-through 4, that is, the inlet and outlet of each connection channel from the one collector 1 and in the other collector 2 have a cross-section which is smaller than the slot-like cross-section of a connecting channel 3.
  • FIG. 5 only two connection channels 3 from the whole variety of such channels are shown, with reference to the FIGS. 1 . 2 define a here cylindrical combustion chamber 17, from which the hot gases as a second fluid medium through the columns 5 flow radially outward.
  • the flow openings 4 are according to FIG. 4 preferably in the form of connecting pieces 18, which are arranged on the cross-section of the respective connecting channel 3 (preferably) at both ends corresponding cross-section Abdeckelept 6 of the connecting channels 3.
  • the both upstream and downstream are identically designed connecting pieces 18 are preferably and expedient, cylindrical, although this is not mandatory, that is, these can also, as dash-dotted lines in FIG. 5 indicated, for example, have slot shape, which from flow-through 4 to 4 through-flow even greater lateral distance can be achieved. especially the FIG.
  • the through-flow openings 4 represented by the connecting pieces 18, seen in the longitudinal extension of the connecting channels 3, can be arranged offset relative to one another at the opposite respective ends of each connecting channel 3, as shown in FIG FIG. 6 is clarified.
  • the flow openings 4 and the connecting pieces 18 standing circles are, for example, at the upper ends of the connecting channels 3 and the dashed lines shown at the lower ends.
  • this solution has the advantage that all the connection channels used 3 can be identical (identical) (they are installed alternately rotated).
  • the connecting piece 18 in the collector 1, 2 are provided with inexpensivehalsten walls 7, wherein in the Aushalsungen 8, the connecting pieces 18 of the connecting channels 3 as a fluid-tight connector (possibly provided with an O-ring seal) are inserted.
  • the connectors are brazed or welded at their flush edges, as shown.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Wärmetauscher, umfassend einen ersten und einen zweiten Sammler (1, 2) für ein erstes fluides Medium, wobei zwischen den Sammlern (1, 2) vom ersten fluiden Medium durchströmbare, einen langlochartigen Querschnitt aufweisende Verbindungskanäle (3) vorgesehen und diese mit den Sammlern (1, 2) über Durchströmöffnungen (4) verbunden sind und wobei zwischen jeweils zwei Verbindungskanälen (3) ein Durchströmspalt (5) für ein zweites fluides Medium vorgesehen ist. Nach der Erfindung weist jede Durchströmöffnung (4) einen Querschnitt auf, der kleiner als der langlochartige Querschnitt eines Verbindungskanales (3) bemessen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein Wärmetauscher der eingangs genannten Art ist nach der DE 31 05 598 A1 bekannt. Dieser besteht aus einem ersten und einem zweiten so genannten Sammler für ein erstes durch Rück- und Vorlaufanschlüsse zu- und abgeführtes fluides Medium. Zwischen den beiden Sammlern sind vom ersten fluidem Medium durchströmbare, einen länglichen Querschnitt aufweisende Verbindungskanäle vorgesehen, die mit den Sammlern per Durchströmöffnungen in Verbindung stehen. Zwischen jeweils zwei Verbindungskanälen befindet sich dabei ein Durchströmspalt für ein zweites fluides Medium. Bei dieser speziellen Ausführungsform eines Wärmetauschers ist außerdem vorgesehen, dass jeweils benachbarte Verbindungskanäle, die mit ihrem langlochartigen Querschnitt in die entsprechend gelochten Anschlusswände der Sammler fluiddicht eingesetzt und angeschlossen werden müssen, abwechselnd im Gegenstrom durchströmt werden (was hier jedoch nicht weiter von Interesse ist).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art dahingehend umzugestalten und zu verbessern, dass unter Beibehaltung entsprechender Wärmetauschfunktion die Herstellbarkeit eines solchen Wärmetauschers wesentlich vereinfacht bzw. kostengünstiger ist.
  • Diese Aufgabe ist mit einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gelöst.
  • Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass jede Durchströmöffnung einen Querschnitt aufweist, der kleiner als der langlochartige Querschnitt eines Verbindungskanales bemessen ist.
  • Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Verbindungskanäle für ihren fluiddichten Anschluss an die Sammlerwände in diesen keine dem Verbindungskanalquerschnitt formentsprechend querschnittsgroßen Anschluß- bzw. Einpassöffnungen in den Sammlerwänden benötigen, sondern entsprechend kleinere, was vorteilhaft dazu führt, dass wesentlich mehr Raum für die fluiddichte Einbindung der Verbindungskanäle in die betreffenden Sammlerwände zur Verfügung steht, und zwar trotz Aufrechterhaltung der relativ engen Durchströmspalte für das zweite Durchströmmedium zwischen den sich parallel zueinander von Sammler zu Sammler erstreckenden Verbindungskanälen. Außerdem weist die erfindungsgemäße Lösung bezüglich des ersten fluiden Mediums (Heizkreiswasser) vorteilhaft nur einen sehr geringen Strömungswiderstand (wasserseitigen Druckverlust) auf.
  • Um eine Vorstellung zu vermitteln, was hier unter "kleiner bemessen" zu verstehen ist, sei darauf hingewiesen, dass im Vergleich zum eigentlichen Querschnitt der Verbindungskanäle deren Durchström - bzw. deren Zu -und Abströmöffnungen zu und aus den Sammlern in der Größenordnung von etwa einem Drittel bis einem Viertel kleiner bemessen sind. Mit anderen Worten bedeutet dies wiederum, das die Vielzahl der in den Wärmetauscher einzubauenden Verbindungskanäle in Serienfertigung einfach vor ihrem Einbau beidendig fluiddicht abgedeckelt werden können, wobei die Abdeckelungen von vornherein entsprechend querschnittsreduzierte kleine' Anschlussstutzen aufweisen. Diese kleinen Anschlußstutzen werden dabei in vorteilhafter Weiterbildung in Bezug auf den langlochartigen Querschnitt der Verbindungskanäle an den Enden quasi versetzt zueinander angeordnet, und die derart ausgebildeten Verbindungskanäle erhalten dann im Wärmetauscher eine Anordnung zueinander derart, dass die kleinen Anschlussstutzen in die Sammlerräume entfernt voneinander einragen.
  • Wie auch beim vorgenannten Stand der Technik, begrenzen die Verbindungskanäle vorzugsweise eine Zylindermantelfläche (allgemeiner: eine gekrümmte Ebene), genauso gut ist aber auch eine Lösung denkbar, bei der die Verbindungskanäle in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind (flacher Wärmetauscher, bei dem die Sammler gewissermaßen die Querverbindung zwischen den Verbindungskanälen bilden).
  • Der erfindungsgemäße Wärmetauscher und seine vorteilhaften Weiterbildungen werden anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen nachfolgend näher erläutert.
  • Es zeigt schematisch
  • Figur 1
    perspektivisch einen Schnitt durch eine Ausführungsform des Wärmetauschers;
    Figur 2
    eine etwas andere Ausführungsform des Wärmetauschers;
    Figur 3
    einen Schnitt durch einen Verbindungskanal längs Linie III-III in Figur 5;
    Figur 4
    einen Teilschnitt durch die Verbindungsstelle zwischen Verbindungskanal und Sammler;
    Figur 5
    eine Draufsicht auf zwei benachbarte Verbindungskanäle; und
    Figur 6
    eine Draufsicht auf drei Verbindungskanäle in besonderer Ausführungsform.
  • Der Wärmetauscher, der als Einbaueinheit 9 insbesondere für den Heizkesselbau (und zwar vorallem für Heizkessel mit großer Leistung) bestimmt ist, wie dies die Figuren 1, 2 verdeutlichen, weist in bekannter Weise einen ersten und einen zweiten Sammler 1, 2 für ein erstes fluides Medium (Wärmeträgermedium, typischerweise Wasser) auf, wobei zwischen den Sammlern 1, 2 vom ersten fluiden Medium durchströmbare, einen langlochartigen (insbesondere unrunden bzw. nicht kreisförmigen) Querschnitt aufweisende Verbindungskanäle 3 vorgesehen sind. Diese Verbindungskanäle 3, die zum Beispiel aus Aluminium, Stahl oder Edelstahl gebildet sein können, stehen mit den Sammlern 1, 2 über Durchströmöffnungen 4 in hydraulischer Verbindung, wobei zwischen jeweils zwei Verbindungskanälen 3 ein Durchströmspalt 5 für ein zweites fluides Medium (Heizgase) vorhanden ist. Der Durchströmspal 5 weist dabei typischerweise in Hauptströmungsrichtung des zweiten Mediums gesehen über eine bestimmte Weglänge eine gleichbleibende Breite auf.
  • Für einen solchen Wärmetauscher ist nun unter Verweis auf Figur 5 wesentlich, dass die Durchströmöffnungen 4, das heisst, die Zu- und Abströmöffnung jedes Verbindungskanales aus dem einen Sammler 1 und in den anderen Sammler 2 einen Querschnitt aufweisen, der kleiner als der langlochartige Querschnitt eines Verbindungskanales 3 bemessen ist. In Figur 5 sind nur zwei Verbindungskanäle 3 aus der ganzen Vielzahl solcher Kanäle dargestellt, die unter Verweis auf die Figuren 1, 2 eine hier zylindrische Brennkammer 17 begrenzen, aus der die Heizgase als zweites fluides Medium durch die Spalten 5 radial nach außen abströmen.
  • Die Durchströmöffnungen 4 sind gemäß Figur 4 bevorzugt in Form von Anschlussstutzen 18 ausgebildet, die an zum Querschnitt des jeweiligen Verbindungskanales 3 (vorzugsweise) beidendig querschnittsentsprechenden Abdeckelungen 6 der Verbindungskanäle 3 angeordnet sind. Die sowohl zu- als auch abströmseitig gleich ausgebildeten Anschlussstutzen 18 sind vorzugsweise und zweckmäßig, zylindrisch ausgebildet, obgleich dies nicht zwingend ist, das heisst, diese können auch, wie strichpunktiert in Figur 5 angedeutet, beispielsweise auch Langlochform haben, wodurch von Durchströmöffnung 4 zu Durchströmöffnung 4 ein noch größerer seitlicher Abstand erzielbar ist. Insbesondere die Figur 5 macht deutlich, mit welchem Raumgewinn und dementsprechender Fertigungserleichterung (zum Beispiel beim Anschweißen der Anschlussstutzen 18 an die Aushalsungen 8) diese Art des Anschlusses der Verbindungskanäle 3 an die Sammler 1, 2 verbunden ist, und zwar im Vergleich zu einer bisher üblichen Einbindung der Verbindungskanäle mit ihrem vollen Querschnitt in Sammlerwände.
  • Ferner können die von den Anschlussstutzen 18 repräsentierten Durchströmöffnungen 4, in Längserstreckung der Verbindungskanäle 3 gesehen, an den entgegengesetzten jeweiligen Enden jedes Verbindungskanales 3 versetzt zueinander angeordnet werden, wie dies in Figur 6 verdeutlicht ist. Die in Figur 6 vollausgezogenen, für die Durchströmöffnungen 4 bzw. die Anschlussstutzen 18 stehenden Kreise befinden sich beispielsweise an den oberen Enden der Verbindungskanäle 3 und die gestrichelt dargestellten an den unteren Enden. Wie ohne weiteres aus Figur 6 erkennbar, ergeben sich bei dieser bevorzugten Ausführungsform überhaupt keine unmittelbar benachbarten Anschlussstutzen 18. Außerdem hat diese Lösung den Vorteil, dass alle verwendeten Verbindungskanäle 3 baugleich (identisch) sein können (sie werden abwechselnd gedreht eingebaut).
  • Was die Einbindung der Anschlussstutzen 18 in die Sammler 1, 2 betrifft, so wird nochmals auf die Figur 4 verwiesen, wonach die Sammler 1, 2 verbindungskanalseitig mit ausgehalsten Wandungen 7 versehen sind, wobei in die Aushalsungen 8 die Anschlussstutzen 18 der Verbindungskanäle 3 als fluiddichte Steckverbinder (gegebenenfalls mit einer O-Ringdichtung versehen) eingefügt sind. Alternativ sind die Steckverbinder an ihren bündigen Rändern, wie dargestellt, hart verlötet bzw. verschweißt. Außerdem ist es auch möglich, eine in Richtung Verbindungskanal 3 weisende Aushalsung oder einen ähnlichen Stutzen einfach in die Durchströmöffnungen 4 abgedichtet einzustecken.
  • Unter Verweis auf die Figuren 1, 2 sind die Sammler 1, 2 und die zwischen diesen erstreckten Verbindungskanäle 3 als Einbaueinheit 9 in ein Außengehäuse 10, vorzugsweise ein Blechmantel, einbezogen, das einen Abströmraum 11 für das zweite fluide Medium begrenzt.
  • In den Ausführungsbeispielen für mit den Wärmtauschern ausgestatteten Heizkesseln gemäß der Figuren 1, 2, die eine vertikale Hauptachse und dementsprechend bezüglich möglicher Lufteinschlüsse im ersten Wärmeträgermedium eine gute Eigenentlüftung aufweisen, sind Pfeile für die Strömungsführung des ersten fluiden Mediums voll ausgezogen und die für das zweite fluide Medium gestrichelt dargestellt, so dass die Strömungsführungen keiner besonderen Erläuterungen bedürfen. Abgesehen von der Benutzung entsprechend vorbenutzter Bezugszeichen für entsprechende Elemente sind die Vorlaufanschlüsse mit 16 und die Rücklaufanschlüsse mit 15 bezeichnet, Brennkammerböden mit 12, Sammlerdurchgriffe bzw. Einsatzöffnungen für nicht dargestellte Brenner mit 13 und Abgasöffnungen bzw. -anschlüsse mit 14. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 kommt durch den, wie dargestellt, höher eingesetzten Brennkammerboden 12 der untere Teil der Verbindungskanäle 3 als Nachschaltheizfläche zur Wirkung.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Sammler
    2
    Sammler
    3
    Verbindungskanal
    4
    Durchströmöffnung
    5
    Durchströmspalt
    6
    Abdeckelung
    7
    Wandung
    8
    Aushalsung
    9
    Einbaueinheit
    10
    Außengehäuse
    11
    Abströmraum
    12
    Brennkammerboden
    13
    Einsatzöffnung
    14
    Abgasöffnung
    15
    Rücklauf
    16
    Vorlauf
    17
    Brennkammer
    18
    Anschlussstutzen

Claims (10)

  1. Wärmetauscher, umfassend einen ersten und einen zweiten Sammler (1, 2) für ein erstes fluides Medium, wobei zwischen den Sammlern (1, 2) vom ersten fluiden Medium durchströmbare, einen langlochartigen Querschnitt aufweisende Verbindungskanäle (3) vorgesehen und diese mit den Sammlern (1, 2) über Durchströmöffnungen (4) verbunden sind und wobei zwischen jeweils zwei Verbindungskanälen (3) ein Durchströmspalt (5) für ein zweites fluides Medium vorgesehen ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass jede Durchströmöffnung (4) einen Querschnitt aufweist, der kleiner als der langlochartige Querschnitt eines Verbindungskanales (3) bemessen ist.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Durchströmöffnungen (4) in Form von Anschlussstutzen (18) ausgebildet sind.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Anschlussstutzen (18) an zum Querschnitt des Verbindungskanals (3) querschnittsentsprechenden Abdeckelungen (6) angeordnet sind.
  4. Wärmetauscher nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Anschlussstutzen (18) zylindrisch ausgebildet sind.
  5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Durchströmöffnungen (4) in Querschnittslängsrichtung des Verbindungskanals (3) gesehen am jeweiligen Ende des Verbindungskanals (3) versetzt zueinander angeordnet sind.
  6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Verbindungskanäle (3) im Wärmetauscher und in Zuordnung zu den Sammlern (1, 2) mit ihren Anschlussstutzen (18) versetzt zueinander angeordnet sind.
  7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Sammler (1, 2) verbindungskanalseitig Wandungen (7) mit Aushalsungen (8) aufweist.
  8. Wärmetauscher nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in den Aushalsungen (8) die Anschlussstutzen (18) der Verbindungskanäle (3) als fluiddichte Steckverbinder eingefügt sind.
  9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Sammler (1, 2) und die zwischen diesen erstreckten Verbindungskanäle (3) als Einbaueinheit (9) in ein Außengehäuse (10) einbezogen sind, das einen Abströmraum (11) für das zweite fluide Medium begrenzt.
  10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Sammler (1, 2) als Gussteile ausgebildet sind.
EP09006653.1A 2008-05-30 2009-05-18 Wärmetauscher Withdrawn EP2128537A3 (de)

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