DE102005051309A1 - Exhaust gas heat exchanger for a thermoelectric generator and thermoelectric generator - Google Patents
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Abstract
Die
Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher
für einen
thermoelektrischen Generator, mit zumindest einem in einer Ebene
verlaufenden und von Abgas durchströmten Abgaskanal, wobei ein
Abschnitt des Abgaskanals einen Kanalvorlauf bildet und ein, in Abgsströmung gesehen,
nachfolgender Abschnitt des Abgaskanals einen Kanalnachlauf bildet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass der Kanalvorlauf mit einer ersten Krümmungsrichtung vom Randbereich
des Abgaswärmetauschers
zum Innenbereich des Abgaswärmetauschers
verläuft,
unter Wechsel der Krümmungsrichtung
in den Kanalnachlauf übergeht
und dieser Kanalnachlauf mit einer zweiten, von der ersten Krümmungsrichtung verschiedenen
Krümmungsrichtung,
vom Innenbereich zum Randbereich des Abgaswärmetauschers verläuft.
Darüber hinaus
betrifft die Erfindung einen thermoelektrischen Generator insbesondere
für Heizgeräte der Verbrennungsbauart
mit einem derartigen Abgaswärmetauscher.The invention relates to an exhaust gas heat exchanger for a thermoelectric generator, with at least one running in a plane and exhaust gas flowed through the exhaust passage, wherein a portion of the exhaust passage forms a channel flow and, seen in Abgsströmung, subsequent section of the exhaust passage forms a channel caster.
According to the invention, the channel flow runs with a first direction of curvature from the edge region of the exhaust gas heat exchanger to the inner region of the exhaust gas heat exchanger, merges with the curvature direction into the duct lag and this channel lag runs with a second direction of curvature different from the first direction of curvature from the inner region to the edge region of the exhaust gas heat exchanger ,
Moreover, the invention relates to a thermoelectric generator, in particular for heaters of the combustion type with such an exhaust gas heat exchanger.
Description
Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher für einen thermoelektrischen Generator, mit zumindest einem, in einer Ebene verlaufenden und von Abgas durchströmten Abgaskanal, wobei ein Abschnitt des Abgaskanals einen Kanalvorlauf bildet und ein in Abgasströmungsrichtung gesehen nachfolgender Abschnitt des Abgaskanals einen Kanalnachlauf bildet.The The invention relates to an exhaust gas heat exchanger for one thermoelectric generator, with at least one, in one plane extending and exhaust gas flowed through the exhaust passage, wherein a Section of the exhaust passage forms a channel flow and one in the exhaust gas flow direction seen subsequent section of the exhaust duct a channel caster forms.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen thermoelektrischen Generator, insbesondere für Fahrzeugzusatzheizgeräte.Furthermore The invention relates to a thermoelectric generator, in particular for auxiliary vehicle heaters.
Fahrzeugzusatzheizgeräte, die insbesondere als Standheizungen und/oder Zuheizer zum Einsatz kommen, unterliegen bei ihrem Betrieb einem gewissen Stromverbrauch, beispielsweise für den Betrieb eines Gebläses und den Steuer- und Regelbe trieb des Heizgeräts. Um durch diesen Stromverbrauch eine ungewünschte Belastung der Batterie zu vermeiden, kommen thermoelektrische Generatoren zum Einsatz, welche thermische Energie, die beim Verbrennungsvorgang des Heizgerätes entsteht, in elektrische Energie umzuwandeln, welche ins Bordnetz des Kraftfahrzeuges gespeist werden kann oder welche direkt zur Spannungsversorgung des Heizgerätes verwendet werden kann.Vehicle auxiliary heaters that be used in particular as auxiliary heaters and / or auxiliary heaters, are subject to a certain power consumption during their operation, for example for the business a blower and the control and Regelbe operation of the heater. To get through this power consumption an unwanted To avoid load on the battery, thermoelectric generators come to Use, which thermal energy, during the combustion process of the heater arises, to convert into electrical energy, which in the electrical system the motor vehicle can be fed or which directly to Power supply of the heater can be used.
Prinzipiell
wird zwischen zwei Bauarten thermoelektrischer Generatoren unterschieden.
Bei einer ersten Bauart sind die Thermogeneratoren in das Heizgerät integriert
und erfordern somit eine entsprechende konstruktive Auslegung des
Heizgerätes. Eine
Nachrüstung
eines thermoelektrischen Generators in solch ein Heizgerät ist nur
unter hohem Aufwand zu realisieren. Darüber hinaus ist ein solcher thermoelektrischer
Generator sehr hohen Temperaturen ausgesetzt, wodurch sich technologische
Probleme, wie beispielsweise die Beherrschbarkeit der thermischen
Ausdehnungskoeffizienten oder das Auslöten der Thermopaare der thermoelektrischen Elemente,
ergeben. Eine zweite Bauart von thermoelektrischen Generatoren ist
im Abgasstrang des Heizgerätes
vorgesehen, wodurch eine einfache Nachrüstung möglich ist. Ein solcher thermoelektrischer
Generator und der entsprechende Abgaswärmetauscher sind aus der der
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den gattungsgemäßen Abgaswärmetauscher und den gattungsgemäßen thermoelektrischen Generator weiter zu optimieren.It is therefore the object of the present invention, the generic exhaust gas heat exchanger and the generic thermoelectric generator continue to optimize.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.These The object is solved by the features of the independent claims.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.advantageous Refinements and developments of the invention will become apparent the dependent Claims.
Der erfindungsgemäße Abgaswärmetauscher für einen thermoelektrischen Generator baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass der Kanalvorlauf mit einer ersten Krümmungsrichtung vom Randbereich des Abgaswärmetauschers zum Innenbereich des Abgaswärmetauschers verläuft, unter Wechsel der Krümmungsrichtung in den Kanalnachlauf übergeht und dieser Kanalnachlauf mit einer zweiten, von der ersten Krümmungsrichtung verschiedenen Krümmungsrichtung, vom Innenbereich zum Randbereich des Abgaswärmetauschers verläuft. Durch einen derartigen Aufbau des Abgaswärmetauschers wird erreicht, dass das einströmende heiße Abgas zunächst entlang des Randbereichs des Abgaswärmetauschers geführt wird. Mit zunehmender Abkühlung des Abgases wird der Abgasstrom weiter zum Innenbereich des Abgaswärmetauschers geführt. Dadurch wird ein weitgehend homogenes Temperaturfeld auf der Oberfläche des Abgaswärmetauschers erlangt. Außerdem legen durch solch eine Abgaskanalführung die Abgase bei vorgegebenem Bauraum eine vergleichsweise lange Strecke durch den Abgaswärmetauscher zurück, um möglichst viel thermische Energie an das Material des Abgaswärmetauschers zu übertragen. Durch die besondere Abgaskanalführung können des Weiteren sehr starke Kanalbiegungen vermieden werden, die hohe Druckverluste zur Folge hätten. Erreicht wird somit ein Abgaswärmetauscher mit vergleichs weise kleinem Bauraum, vergleichsweise geringem Druckverlust (Gegendruck) im Abgasstrang des Heizgerätes, einer homogenen Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Abgaswärmetauschers, einer effizienten Wärmeübertragung vom Abgas zum Material des Abgaswärmetauschers und somit schließlich einen verbesserten Wirkungsgrad des Abgaswärmetauschers.Of the exhaust gas heat exchanger according to the invention for one thermoelectric generator is based on the generic state The technique in that the channel flow with a first direction of curvature from the edge area of the exhaust gas heat exchanger to the interior of the exhaust gas heat exchanger runs, changing the direction of curvature goes into the channel caster and this channel wake with a second, from the first direction of curvature different curvature direction, from the interior to the edge region of the exhaust gas heat exchanger extends. By Such a structure of the exhaust gas heat exchanger is achieved the incoming name is Exhaust first is guided along the edge region of the exhaust gas heat exchanger. With increasing cooling the exhaust gas, the exhaust gas flow is further to the interior of the exhaust gas heat exchanger guided. As a result, a largely homogeneous temperature field on the surface of the exhaust gas heat exchanger obtained. Furthermore put through such an exhaust duct guide the exhaust gases at a given Space for a comparatively long distance through the exhaust gas heat exchanger back, as possible a lot of thermal energy to the material of the exhaust gas heat exchanger transferred to. Due to the special exhaust channel guide can Furthermore, very strong channel bends are avoided, the high Pressure losses would result. Thus, an exhaust gas heat exchanger is achieved with comparatively small space, comparatively low pressure loss (Back pressure) in the exhaust line of the heater, a homogeneous temperature distribution on the surface the exhaust gas heat exchanger, an efficient heat transfer from the exhaust gas to the material of the exhaust gas heat exchanger and thus finally one improved efficiency of the exhaust gas heat exchanger.
Der erfindungsgemäße Abgaswärmetauscher kann in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet sein, dass zwei Abgaskanäle symmetrisch angeordnet sind, wobei sich ein gemeinsamer Abgaseinlass sowie ein gemeinsamer Abgasauslass der Abgaskanäle auf der Symmetrieachse befinden. Durch diese Weiterbildung wird der Effekt der homogenen Temperaturverteilung noch weiter verstärkt, da nun nahezu der komplette Randbereich zuerst vom heißen, einströmenden Abgas durchströmt wird.Of the exhaust gas heat exchanger according to the invention can be further developed in an advantageous manner that two exhaust ducts are arranged symmetrically, with a common exhaust inlet and a common exhaust outlet of the exhaust ducts are located on the axis of symmetry. By This development becomes the effect of homogeneous temperature distribution even further reinforced, there Now almost the entire edge area first of the hot, incoming exhaust flows through becomes.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers ist weiterhin vorgesehen, dass der zumindest eine Abgaskanal durch mindestens einen in Abgasströmungsrichtung verlaufenden Steg in Unterkanäle aufgeteilt ist. Durch das Vorsehen des Stegs (der Stege) wird die Kontaktfläche zwischen den heißen Abgasen und dem Abgaswärmetauscher vergrößert und somit ein verbesserter Übergang der thermischen Energie der Abgase in das Material des Abgaswärmetauschers ermöglicht.In a preferred embodiment of the exhaust gas heat exchanger according to the invention is white Terhin provided that the at least one exhaust duct is divided by at least one extending in the exhaust gas flow direction web into subchannels. By providing the web (s), the contact area between the hot exhaust gases and the exhaust gas heat exchanger is increased, thus enabling an improved transition of the thermal energy of the exhaust gases into the material of the exhaust gas heat exchanger.
Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Abgaswärmetauscher derart weitergebildet sein, dass in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, ein Endbereich des Kanalvorlaufs benach bart und durch einen Steg getrennt von einem Anfangsbereich des Kanalnachlaufs verläuft. Dadurch wird ein Gegenstrom im Verlauf des Abgaskanals verwirklicht. Dies hat zur Folge, dass sich bereits abkühlende Abgase durch das frisch einströmende heiße Abgas wieder erwärmt werden. Dieser Effekt verstärkt die homogene Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Abgaswärmetauschers.Furthermore can the exhaust gas heat exchanger according to the invention be developed such that seen in the flow direction of the exhaust gas, a End region of the channel lead neighbors and separated by a bridge from an initial region of the channel wake-up. This will be a countercurrent realized in the course of the exhaust duct. This has the consequence that already cooling Exhaust gases through the fresh incoming name is Exhaust gas reheated become. This effect amplifies the homogeneous temperature distribution on the surface of the exhaust gas heat exchanger.
Des Weiteren kann der erfindungsgemäße Abgaswärmetauscher so weitergebildet sein, dass der Abgaswärmetauscher aus Aluminium hergestellt ist. Auf Grund der Auswahl von Aluminium kann eine vergleichsweise hohe thermische Leistung aus dem Abgas entkoppelt werden, da Aluminium eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit besitzt.Of Further, the exhaust gas heat exchanger according to the invention be developed so that the exhaust gas heat exchanger is made of aluminum. Due to the choice of aluminum can be a comparatively high thermal power can be decoupled from the exhaust gas because aluminum a very good thermal conductivity has.
Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Abgaswärmetauscher so ausgebildet sein, dass der Abgaswärmetauscher zwei identische, spiegelbildlich aneinander gefügte Abgaswärmetauscherteile umfasst, wobei an den Fügeflächen der Abgaswärmetauscherteile jeweils eine Querschnittshälfte des zumindest einen Abgaskanals ausgebildet ist und an den Fügeflächen der Abgaswärmetauscherteile jeweils eine Asymmetrie als Montagehilfe vorgesehen ist. Durch diese spiegelbildliche Anordnung zweier identischer Teile kann der Abgaswärmetauscher kostengünstig hergestellt werden. Somit muss nur ein stets identisches Teil hergestellt werden, das pro Abgaswärmetauscher zweimal verwendet wird. Darüber hinaus wird durch diesen Aufbau ebenso eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Normalenrichtung zur Fügefläche erreicht. Da der Abgaswärmetauscher bei der Verwendung in einem elektrothermischen Generator auf beiden Seiten mit thermoelektrischen Elementen beplankt ist, ist somit sichergestellt, dass allen thermoelektrischen Elementen gleichermaßen thermische Energie zugeführt wird. Stellt man an den Fügeflächen eine Asymmetrie zur Verfügung, so ist eine korrekte Montage der beiden Wärmetauscherteile sichergestellt.Furthermore can the exhaust gas heat exchanger according to the invention be formed so that the exhaust gas heat exchanger two identical, mirrored together Exhaust gas heat exchanger parts comprises, where at the joint surfaces of the Exhaust gas heat exchanger parts one half of the cross section each the at least one exhaust duct is formed and at the joining surfaces of the Exhaust gas heat exchanger parts each asymmetry is provided as an assembly aid. Through this mirror image arrangement of two identical parts, the exhaust gas heat exchanger economical getting produced. Thus, only an always identical part has to be produced be, that per exhaust heat exchanger is used twice. Furthermore This structure also provides a uniform temperature distribution in reaches the normal direction to the joining surface. As the exhaust gas heat exchanger when used in an electrothermal generator on both Pages with thermoelectric elements is planked, is thus Ensures that all thermoelectric elements are equally thermal Energy supplied becomes. If you put one at the joining surfaces Asymmetry available, so a correct installation of the two heat exchanger parts is ensured.
Der erfindungsgemäße Abgaswärmetauscher kann außerdem dadurch ausgebildet werden, dass die Abgaswärmetauscherteile massive Aluminiumgussteile sind, in denen mittels entsprechend ausgebildeter Gussformen die entsprechenden Querschnittshälften des zumindest einen Abgaskanals ausgebildet sind. Durch diese Weiterbildung kann der Abgaswärmetauscher trotz seiner komplexen Geometrie in größeren Stückzahlen sehr kostengünstig hergestellt werden.Of the exhaust gas heat exchanger according to the invention can also be formed by the exhaust gas heat exchanger parts solid aluminum castings are in which by means of appropriately trained molds the corresponding cross-sectional halves the at least one exhaust duct are formed. Through this training can the exhaust gas heat exchanger Despite its complex geometry in large numbers produced very inexpensively become.
Weiterhin kann der Abgaswärmetauscher so ausgebildet sein, dass die Strömung eines Diesel-Abgases nicht mehr als 3 mbar an Druckverlust, bei einem Abgas-Volumenstrom von ca. 350 l/min, in der Abgasströmung verursacht. Dadurch kann der Vorteil erlangt werden, dass der Druckverlust im Abgasstrang des Heizgerätes kleiner als bei herkömmlichen Abgasschalldämpfern ist. Somit kann der Abgaswärmetauscher einen bisherigen Abgasschalldämpfer substituieren.Farther can the exhaust gas heat exchanger be designed so that the flow of a diesel exhaust is not more than 3 mbar of pressure loss, with an exhaust gas flow rate of about 350 l / min, in the exhaust gas flow caused. Thereby, the advantage can be obtained that the pressure loss in the exhaust line of the heater smaller than conventional exhaust mufflers is. Thus, the exhaust gas heat exchanger a previous exhaust muffler substitute.
Der erfindungsgemäße thermoelektrische Generator baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass der thermoelektrische Generator einen Abgaswärmetauscher umfasst, der wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit dem erfindungs gemäßen Abgaswärmetauscher erläuterten Vorteile und Eigenschaften in gleicher oder ähnlicher Weise.Of the inventive thermoelectric generator builds on the generic state The technique in that the thermoelectric generator a Exhaust gas heat exchanger comprises, which is constructed as described above. This results the advantages explained in connection with the exhaust gas heat exchanger according to the invention and properties in the same or similar ways.
Der thermoelektrische Generator kann dadurch weitergebildet sein, dass zwischen dem Abgaswärmetauscher und den thermoelektrischen Elementen eine Wärmeleitpaste als ein Wärmeleitmedium vorgesehen ist. Durch diese Wärmeleitpaste wird eine verbesserte Wärmeübertragung vom Abgaswärmetauscher zu den thermoelektrischen Elementen verwirklicht.Of the thermoelectric generator can be developed by that between the exhaust gas heat exchanger and the thermoelectric elements, a thermal grease as a Wärmeleitmedium is provided. Through this thermal compound will improve heat transfer from the exhaust gas heat exchanger realized to thermoelectric elements.
Alternativ kann bei dem thermoelektrischen Generator vorgesehen sein, dass zwischen dem Abgaswärmetauscher und den thermoelektrischen Elementen eine Wärmeleitfolie als ein Wärmeleitmedium vorgesehen ist. Der Vorteil der Wärmeleitfolie besteht in einer besseren Verarbeitbarkeit und einer besseren Beständigkeit gegen hohe Temperaturen (> 200°C) über einen längeren Zeitraum.alternative may be provided in the thermoelectric generator that between the exhaust gas heat exchanger and the thermoelectric elements, a heat conduction foil as a heat conduction medium is provided. The advantage of the heat-conducting foil is in one better processability and better durability against high temperatures (> 200 ° C) over one longer Period.
Außerdem kann der thermoelektrische Generator so aufgebaut sein, dass der Abgaswärmetauscher im Wesentlichen mittig mit einem Durchgangsloch versehen ist dessen Längsachse senkrecht zu der Ebene ist, in welcher der zumindest eine Abgaskanal verläuft, wobei von dem Durchgangsloch ein Rohr aus Aluminiumoxid aufgenommen wird. Auf Grund dieser Maßnahme wird die Gefahr eines thermischen Nebenschlusses zwischen dem Abgaswärmetauscher und den Kühlmittelwärmetauschern vermieden. Aufgrund dessen, dass das Rohr aus Aluminiumoxid sehr gute Eigenschaften bezüglich der thermischen Isolierung bei gleichzeitig sehr guter Temperaturbeständigkeit hat, wird unterbunden, dass über eine sich im Durchgangsloch befindliche Schraube thermische Energie direkt vom Abgaswärmetauscher zu den Kühlmittelwärmetauschern übertragen wird.In addition, the thermoelectric generator may be configured such that the exhaust gas heat exchanger is provided substantially centrally with a through hole whose longitudinal axis is perpendicular to the plane in which the at least one exhaust passage extends, from the through hole a tube of alumina is received. Due to this measure, the risk of a thermal shunt between the exhaust gas heat exchanger and the coolant heat exchangers is avoided. Due to the fact that the tube made of aluminum oxide has very good thermal insulation properties with very good temperature has raturbeständigkeit, it is prevented that via a screw located in the through hole thermal energy is transferred directly from the exhaust gas heat exchanger to the coolant heat exchangers.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert.A preferred embodiment The invention will be explained by way of example with reference to the figures.
Es zeigen:It demonstrate:
Im
Betrieb wird bei diesem thermoelektrischen Generator Abgas durch
den Abgaswärmetauscher
Bei
der Gestaltung des Kanalverlaufs durch den Abgaswärmetauscher
wurde dabei insbesondere darauf geachtet, die Kanäle mit möglichst
großen Bögen zu versehen,
um somit die Abgasströmung möglichst
laminar zu halten. Außerdem
wurden scharfe Kanten vermieden und ein kreuzungs- und knickfreier Kanalverlauf
verwirklicht. Durch diesen charakteristischen Kanalverlauf konnte
der Druckverlust des Abgaswärmetauschers
Weiterhin wurde bei der Konstruktion darauf geachtet, den Bauraum eines Abgasschalldämpfers der Webasto AG von 0,5 dm3 nicht zu überschreiten. Somit kann der thermoelektrische Generator bzgl. des Druckverlustes und des Bauraumes einen herkömmlichen Abgaschalldämpfer substituieren. Der thermoelektrische Generator ist so ausgeführt, dass er bei Volllast eine nominelle Spannung im Bereich der Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeuges von ca. 12V ergibt. Dadurch benötigt der thermoelektrische Generator keinen DC/DC-Wandler zur Anpassung an das Bordnetz. Die Entkopplung vom Bordnetz erfolgt bevorzugt durch eine Freilaufdiode.Furthermore, care was taken during construction not to exceed the space of an exhaust silencer of Webasto AG of 0.5 dm 3 . Thus, the thermoelectric generator with respect to the pressure loss and the installation space can substitute a conventional exhaust silencer. The thermoelectric generator is designed so that it gives a nominal voltage in the range of the electrical system voltage of a motor vehicle of about 12V at full load. As a result, the thermoelectric generator does not require a DC / DC converter for adaptation to the electrical system. The decoupling from the electrical system is preferably carried out by a freewheeling diode.
Alternativ zur Herstellung des Abgaswärmetauschers aus Aluminium kann dieser auch aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt werden. Diese Materialien bieten ebenso wie Aluminium den Vorteil einer hohen Wärmeleitfähigkeit.alternative for the production of the exhaust gas heat exchanger made of aluminum, this can also be made of copper or a copper alloy getting produced. These materials offer as well as aluminum the advantage of a high thermal conductivity.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.The in the above description, in the drawings and in the claims disclosed features of the invention can both individually and also in any combination for the realization of the invention be essential.
- 1010
- AbgaswärmetauscherExhaust gas heat exchanger
- 1212
- AbgaswärmetauscherteilExhaust gas heat exchanger part
- 1414
- Thermoelektrisches Elementthermoelectric element
- 1616
- KühlmittelwärmetauscherCoolant heat exchanger
- 1818
- AbgaseinlassrohrExhaust gas inlet pipe
- 2020
- Abgasauslassrohrexhaust outlet pipe
- 2222
- KühlmitteleinlassrohrCoolant inlet pipe
- 2323
- Y-VerteilerY junction
- 2424
- Kühlmittelauslassrohrcoolant outlet
- 2626
- Befestigungslaschemounting tab
- 2828
- DurchgangslochThrough Hole
- 3030
- DurchgangslochThrough Hole
- 3232
- Abgaseinlassexhaust inlet
- 3434
- Stegweb
- 3636
- Unterkanalsubchannel
- 3838
- Abgasauslassexhaust outlet
- 4040
- Kanalabschnitt mit drei Unterkanälenchannel section with three subchannels
- 4242
- Anfangsposition des Gegenstromsstarting position the countercurrent
- 4444
- DurchgangslochThrough Hole
- 4545
- Asymmetrieasymmetry
- 4646
- Stegweb
Claims (12)
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| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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Owner name: ENERDAY GMBH, 82131 STOCKDORF, DE |
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