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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung eines Gasstromes,
bei dem ein mit einem Fremdstoff beladenes Gas zwecks Kondensation und/oder
Ausfrierens des Fremdstoffes durch einen Wärmetauscher geleitet und mit
einem Kühlmedium in
thermischen Kontakt gebracht wird, sowie eine entsprechende Vorrichtung
zur Gasreinigung und ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.
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Derartige
Verfahren sind in verschiedenen Variationen bekannt, beispielsweise
aus der
EP 0839 560
A1 , der
EP
1 674 140 A1 oder der
EP 1 602 401 A1 . Für eine ausreichende Reinigung
eines Gasstromes ist gemäß diesem
Stand der Technik ein recht großer
apparativer Aufwand, oft mit mehreren Wärmetauschern und komplexer
Regelungstechnik erforderlich.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines einfachen, kostengünstigen
Verfahrens zur Gasreinigung mit möglichst geringem apparativen
und regelungstechnischen Aufwand sowie einer zugehörigen Vorrichtung
und deren Regelung.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe dienen ein Verfahren nach dem Anspruch 1, eine Vorrichtung
nach Anspruch 6 und ein Verfahren zur Regelung der Vorrichtung nach
Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen, die einzeln oder in Kombination
miteinander anwendbar sind, sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Reinigung eines mit einem Fremdstoff beladenen Gasstromes von
dem Fremdstoff kommt mit einem einzigen Wärmetauscher aus, durch dessen
Innenraum der Gasstrom zunächst
von einem ersten Endbereich zu einem zweiten Endbereich geleitet
wird. Dabei wird der Gasstrom in thermischen Kontakt mit Rohren
gebracht, die in dem Innenraum verlaufen. Durch eine erste Gruppe
dieser Rohre strömt
ein Kühlmedium, welches
den Gasstrom auf seinem Weg in dem Innenraum unter den Taupunkt
des zu beseitigenden Fremdstoffes abkühlt, so dass dieser kondensiert oder
ausfriert. Der Gasstrom ist im Bereich des zweiten Endbereiches
so kalt, dass er nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher umgelenkt und durch
eine zweite Gruppe von Rohren wieder durch den Innenraum des Wärmetauschers
geleitet werden kann, wodurch der Gasstrom im Innenraum des Wärmetauschers
gekühlt
und der Gasstrom in den Rohren wieder aufgewärmt wird. Beim Austritt aus
dem Wärmtauscher
im ersten Endbereich ist der gereinigte Gasstrom dann nur wenig
kälter
als der eintretende noch zu reinigende Gasstrom, im Folgenden Rohgasstrom genannt.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Kühlmedium,
welches die notwendige Kühlleistung
in dem Wärmetauscher
zur Verfügung
stellt, in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird, wobei es vor Eintritt
in den ersten Endbereich des Wärmetauschers
in einem Kühler
von einem primären
Kühlmittel
auf eine vorgebbare Temperatur abgekühlt wird. Der geschlossene
Kühlmedium-Kreislauf
kann als sekundärer
Kühlkreislauf
betrachtet werden, der in einem Kühler mittels eines primären Kühlmittels
auf eine gewünschte
Temperatur gebracht wird, insbesondere auf eine Temperatur unterhalb
des Taupunktes des zu beseitigenden Fremdstoffes. Als primäres Kühlmittel
kommt insbesondere ein tiefkaltes, verflüssigtes Gas zur Anwendung,
insbesondere flüssiger
Stickstoff oder flüssiges
Kohledioxid. Das primäre Kühlmittel
kann in einem offenen oder einem geschlossenen Kreislauf geführt werden.
Insbesondere bei flüssigem
Stickstoff wird bevorzugt ein offener Kreislauf angewendet, bei
dem der flüssige
Stickstoff aus einem Vorratsbehälter
durch den Kühler
geführt und
der aufgewärmte
Stickstoff gasförmig
in die umgebene Atmosphäre
abgelassen oder zur weiteren Verwendung in ein Inertgasnetz eingespeist
wird.
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Das
Kühlmedium
in der ersten Gruppe von Rohren und der bereits abgekühlte in
der zweiten Gruppe von Rohren zurückgeführte Gasstrom kühlen den
Gasstrom im Innenraum des Wärmetauschers im
Prinzip im Gegenstrom, wobei jedoch bevorzugt in dem Innenraum Leitbleche
angeordnet sein können, die
den Gasstrom mäanderförmig durch
den Innenraum leiten, so dass eine Kombination aus Gegenstrom- und
Querstromwärmetauscher
vorliegen kann. Bei dieser Art der Strömungsführung kommt es zu einem guten
Wärmeaustausch
des Gasstroms mit dem Kühlmedium
und dem zurückgeführten Gasstrom,
unabhängig
davon, wie die erste und zweite Gruppe von Rohren räumlich verteilt
sind. Es können daher
die konstruktiv günstigsten
Verteilungen dieser Gruppen gewählt
werden.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Reinigung eines mit einem Fremdstoff beladenen Gasstromes von
dem Fremdstoff, wobei der Gasstrom durch einen Wärmetauscher geleitet und in
thermischen Kontakt mit einem Kühlmedium
gebracht wird, um den Fremdstoff auszufrieren und/oder auszukondensieren
zeichnet sich dadurch aus, dass als Wärmetauscher ein Rohrwärmetauscher
vorhanden ist mit mindestens zwei Gruppen von Rohren die durch den
Innenraum des Wärmetauschers
von einem ersten Endbereich zu einem zweiten Endbereich des Wärmetauschers
verlaufen. Dabei ist der Innenraum des Wärmetauschers von einem Gasstromeinlass
an dem ersten Endbereich zu dem zweiten Endbereich von dem Gasstrom
durchströmbar.
Eine erste Gruppe der Rohre ist Teil eines Kühlmedium-Kreislaufes und eine
zweite Gruppe der Rohre dienst zur Rückführung des Gasstromes von dem
zweiten Endbereich des Wärmetauschers
zu einem Reingas-Auslass im ersten Endbereich.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann mit nur wenig modifizierten handelsüblichen Wärmetauschern für zwei unterschiedliche
Kühlmedien
verwirklicht werden, indem durch eine geeignete Verrohrung das im
zweiten Endbereich aus dem Innenraum austretende gekühlte Reingas
umgelenkt und einer Gruppe von Rohren wieder zugeführt wird.
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Es
ist allerdings in einer besonderen Ausführungsform auch möglich, den
zweiten Endbereich des Wärmetauschers
als interne Umlenkung für
den Gasstrom in die zweite Gruppe von Rohren auszubilden. Dazu können entweder
zwischen den Rohren der zweiten Gruppe Öffnungen in einem dort die
Rohre haltenden Rohrboden vorgesehen werden oder es können im
zweiten Endbereich des Wärmetauschers in
den Rohren der zweiten Gruppe seitliche Schlitze oder Öffnungen
vorgesehen werden, durch die der Gasstrom direkt wieder umgelenkt
und zurückgeführt werden
kann.
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Die
erste Gruppe von Rohren ist Teil eines geschlossenen Kühlmedium-Kreislaufes in dem
ein Kühlmedium
umgewälzt
wird. Dies kann durch eine geeignete Fördereinrichtung, insbesondere
eine Pumpe bzw. ein Gebläse
oder einen Verdichter, erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist der Kühlmedium-Kreislauf
einen von einem primären
Kühlmittel
durchströmbaren
Kühler auf,
der vor dem ersten Endbereich des Wärmetauschers angeordnet ist.
In diesem Kühler
wird das Kühlmedium
auf die zur Reinigung des Gasstromes notewenige Temperatur abgekühlt, insbesondere
auf eine Temperatur unterhalb des Taupunktes des aus dem Rohgasstrom
zu entfernenden Fremdstoffes.
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Bevorzugt
ist der Kühler
an einem offenen oder geschlossenen primären Kühlmittel-Kreislauf angeschlossen,
insbesondere an eine Versorgung mit flüssigem Stickstoff oder flüssigen Kohlendioxid.
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Es
hat sich gezeigt, dass es gegenüber
im Stand der Technik bekannten senkrechten Anordnungen vorteilhaft
ist, den Wärmetauscher
etwa horizontal anzuordnen, allerdings mit einem leichten Gefälle in der
Richtung der Durchströmung
mit Kühlmedium.
Dieses Gefälle
beträgt
weniger als 10% zur Horizontalen, vorzugsweise wird eine Neigung
zur Horizontalen zwischen 1° und
5° gewählt. Dies
bedeutet, dass der kondensierte Fremdstoff auf der Unterseite des
Innenraums des Wärmetauschers
in Richtung des wärmeren
Endbereiches läuft,
wodurch vermieden werden kann, dass kondensierter Fremdstoff festfriert
und einen Strömungsweg
verstopft.
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Zur
Beseitigung des Kondensats ist der Wärmetauscher an seiner Unterseite
mit mindestens einem Kondensatabfluss ausgestattet, insbesondere sogar
mit zwei oder mehr Kondensatabflüssen,
die in Abständen
hintereinander in Richtung der Durchströmung mit Kühlmedium angeordnet sind. Von
diesen Kondensatabflüssen
wird der kondensierte Fremdstoff über Kondensatleitungen zu einem
Kondensatsammelbehälter
geleitet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist der Wärmetauscher
mindestens einen ersten Messfühler
auf zur Messung eines Messwertes, aus dem die Temperatur des Gasstroms
im zweiten Endbereich des Wärmetauschers
ableitbar ist. Ein solcher Messwert ist erforderlich, um die Vorrichtung
so betreiben zu können,
dass die zum Beseitigen des Fremdstoffes notwendige Temperatur immer
unterschritten bleibt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die
Vorrichtung mindestens ein Stellglied im Kühlmedium-Kreislauf und/oder
eines im Kühlmittel-Kreislauf
auf, die mit einer Prozessregelung verbunden sind, so dass die dem
Wärmetauscher
zugeführte
Kälteleistung
regelbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
hat den besonderen Vorteil, dass sie sich sehr einfach und zuverlässig regeln
lässt.
Geht man davon aus, dass der zu reinigende Gasstrom in seiner Temperatur
und Durchflussmenge schwanken kann, so muss unter allen Betriebsbedingungen
sichergestellt werden, dass der Gasstrom im Wärmetauscher genügend stark
abgekühlt
wird, um einen enthaltenen Fremdstoff zu kondensieren oder auszufrieren.
Dazu wird ein der Temperatur des Gasstromes im zweiten Endbereich
des Wärmetauschers
proportionaler Messwert gemessen und auf einen vorgegebenen Sollwert eingeregelt.
Grundsätzlich
kommen für
eine Regelung zwei beeinflussbare Parameter im Kühlmediumkreislauf in Betracht,
nämlich
der Durchfluss an Kühlmedium
und die Temperatur des Kühlmediums.
Während
man den Durchfluss an Kühlmedium
mittels der Fördereinrichtung
im Kühlmediumkreislauf
einstellen kann, kann die Temperatur durch die Menge an zugeführtem Primärkühlmittel
im Kühler
eingestellt werden. Bevorzugt werden erfindungsgemäß beide
Parameter zur Regelung des Systems herangezogen. Eine einfache Regelstruktur
ergibt sich beispielsweise durch die Verwendung von zwei Regelkreisen.
Die Temperatur im Kühlmedium-Kreislauf
vor dem Wärmetauscher
(Vorlauftemperatur) wird durch Regelung des Durchflusses an Kühlmittel
im Kühler
mittels des Regelventils eingestellt, die Temperatur im Kühlmedium-Kreislauf hinter
dem Wärmetauscher
(Rücklauftemperatur)
wird durch Regelung des Durchflusses an Kühlmedium mittels der Fördereinrichtung eingestellt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung und seine Betriebsweise werden im Folgenden anhand der
Zeichnung näher
erläutert.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt,
sondern es sind Abwandlungen in der Bauweise des Wärmetauschers,
der Regelung und der Verrohrung möglich.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einem horizontalen Längsschnitt
durch einen zugehörigen Wärmetauscher
und
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2 schematisch
einen vertikalen Längsschnitt
durch den Wärmetauscher
aus 1.
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Wie
in den 1 und 2 veranschaulicht strömt ein mit
einem Fremdstoff beladenes Rohgas durch einen Gasstromeinlass 2 in
den Innenraum 3 eines Wärmetauschers 1.
Der Innenraum 3 des Wärmetauschers 1 erstreckt
sich von einem ersten Endbereich 4 zu einem zweiten Endbereich 5.
In dem Innenraum 3 wird der Gasstrom abgekühlt, und
zwar so weit, dass der darin enthaltene Fremdstoff seinen Taupunkt
unterschreitet und auskondensiert bzw. ausfriert. Die Kühlung des
Gasstromes im Innenraum 3 erfolgt durch thermischen Kontakt
mit einer ersten Gruppe 6 von Rohren und einer zweiten
Gruppe 7 von Rohren. Zur Erhöhung des thermischen Kontaktes
mit den Rohren dienen etwa quer zur Durchströmungsrichtung des Innenraumes 3 angeordnete
Leitbleche 14, die den Gasstrom auf einem mäanderförmigen Weg
durch den Innenraum 3 leiten. Die erste Gruppe 6 von
Rohren ist Teil eines Kühlmedium-Kreislaufes 25 die
zweite Gruppe 7 von Rohren dient zur Rückführung des gekühlten Gasstromes vom
zweiten Endbereich 5 des Wärmetauschers 1 zum
ersten Endbereich 4, wobei das bereits gereinigte Gas sich
wieder annähernd
bis zu der Temperatur des Rohgases am Gasstromeinlass 2 aufwärmt und dabei
zur Kühlung
des Gasstromes im Innenraum 3 beiträgt. Sämtliche Rohre sind im ersten
Endbereich 4 des Wärmetauschers 1 in
einem ersten Rohrboden 16 befestigt und im zweiten Endbereich 5 in
einem zweiten Rohrboden 17. Der Wärmetauscher 1 weist im
ersten Endbereich einen ersten Dom 18 und im zweiten Endbereich 5 einen
zweiten Dom 19 auf. Der erste Dom 18 ist durch
eine erste Trennwand 20 in zwei Teile unterteilt, ebenfalls
der zweite Dom 19 durch eine zweite Trennwand 21.
Auf diese Weise werden die Ein- und Auslassöffnungen der ersten Gruppe 6 von
Rohren und der zweiten Gruppe 7 von Rohren getrennt und
können
daher getrennt von unterschiedlichen Medien durchströmt werden.
So kann die erste Gruppe 6 von Rohren durch einen Kühlmedium-Einlass 23 von
Kühlmedium
angeströmt
werden, welches den Wärmetauscher 1 durch
einen Kühlmedium-Auslass 24 wieder
verlässt.
Die zweite Gruppe 7 von Rohren wird im zweiten Endbereich 5 des
Wärmetauschers 1 von
dem bereits gereinigten Gasstrom angeströmt, indem dieser mittels einer Umlenkung 9 aus
dem Innenraum 3 des Wärmetauschers
zu dem Teil des zweiten Doms 19 geführt wird, in dem die zweite
Gruppe 7 von Rohren endet. Durch die zweite Gruppe 7 von
Rohren gelangt das gereinigte Gas zum ersten Dom 18 und
wird dort durch einen Reingas-Auslass 10 abgeführt. Der
zu entfernende Fremdstoff kondensiert an den Rohren im Innenraum 3 des
Wärmetauschers 1 und
tropft nach unten. Eventuell an den Rohren entlang laufende Tropfen
werden spätestens
an den Leitblechen 14 aufgehalten. Im unteren Bereich des
Wärmetauschers 1 sammelt
sich das Kondensat und gelangt durch Kondensat-Abflüsse 11 über Kondensat-Leitungen 12 zu
einem Kondensat-Sammelbehälter 13. Durch
eine leichte Schrägstellung
um einen Winkel α von
etwa 1° bis
5° der Langsachse 22 des
Wärmetauschers 1 gegenüber der
Horizontalen 8 wird erreicht, dass das Kondensat immer
in Richtung wärmerer
Umgebung fließt
und daher nicht festfriert bevor es einen Kondensat-Abfluss 11 erreicht.
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Wie
in 1 dargestellt enthält der Kühlmedium-Kreislauf 25 eine
regelbare Fördereinrichtung 26 und
einen Kühler 28,
in welchem das Kühlmedium auf
eine Temperatur unterhalb des Taupunktes des zu entfernenden Fremdstoffes
abgekühlt
wird. Der Kühler 28 ist
Teil eines Kühlmittelkreislaufes 29,
insbesondere eines offenen Kreislaufes mit verflüssigtem Stickstoff oder Kohlendioxid.
Mittels eines Regelventils 34 für das Kühlmittel wird die dem Kühler 28 zugeführte Kälteleistung
und damit die Temperatur (Vorlauftemperatur) des aus dem Kühler 28 austretenden
Kühlmediums
geregelt.
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Oft
werden solche Reinigungsvorrichtungen in Intervallen oder im Wechsel
mit einer zweiten Vorrichtung betrieben, wobei dann bei Betriebsunterbrechungen
die Anlage abgetaut, also von Eis befreit werden kann. Zur Unterstützung beim
Abtauen dient ein Heizer 27. Es können noch weitere nicht dargestellte
Komponen ten vorhanden sein, beispielsweise ein Entfeuchter für das Rohgas,
sofern dieses Wasserdampf enthalten kann.
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Die
Regelung der Vorrichtung ist mit geringem Aufwand zu bewerkstelligen.
In 1 sind schematisch auch typische Elemente einer
Prozess-Regelung 30 dargestellt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind mehr Messgeräte
dargestellt als unbedingt erforderlich. Im Prinzip genügt es, die
Temperatur des gereinigten Gasstromes im zweiten Endbereich 5 Wärmetauschers 1 immer
genügend
niedrig zu halten. Dazu wird bevorzugt die Temperatur dort mit einem
ersten Temperaturfühler 35 gemessen und
an die Prozess-Regelung 30 geleitet. Zur Beeinflussung
dieser Temperatur kann der Durchfluss an Kühlmittel durch den Kühler 28 und/oder
an Kühlmedium
im Kühlmedium-Kreislauf 25 verändert werden. Vorteilhaft,
aber für
eine einfache Regelung nicht erforderlich ist es, einen Durchfluss-Messer 31 für den Rohgasstrom,
einen Durchfluss-Messer 32 für das Kühlmedium und einen Durchfluss-Messer 33 für das Kühlmittel
im Kühlkreislauf 29 vorzusehen
und deren Messwerte an die Prozess-Regelung weiterzuleiten. Als
Stellglieder in dem System können
bevorzugt die regelbare Fördereinrichtung 26 zur
Regelung des Kühlmedium-Durchflusses
und ein Regelventil 34 zur Regelung des Kühlmittel-Durchflusses
dienen. Weitere Temperaturfühler,
zum Beispiel ein zweiter Temperaturfühler 36 im Kühler 28 oder
ein dritter Temperaturfühler 37 in
der Nähe
des Kühlmedium-Auslasses 24 können die
Betriebssicherheit und Regelgenauigkeit erhöhen. Besonders bevorzugt wird
die Temperatur des Kühlmediums
vor dem Wärmetauscher 1 (Vorlauftemperatur)
durch den ersten 35 oder zweiten 36 Temperaturfühler gemessen
und durch Verstellung des Regelventils 34 auf einen Sollwert eingeregelt.
Gleichzeitig wird die Temperatur des Kühlmediums hinter dem Wärmetauscher 1 (Rücklauftemperatur)
durch den dritten Temperaturfühler 37 gemessen
und durch Verstellung der Leistung der Fördereinrichtung auf einen Sollwert
eingeregelt. Beide Regelungen zusammen führen zu einem günstigen
und ökonomischen
Betrieb der Vorrichtung. Diese ist dementspre chend einfach zu regeln,
kostengünstig
herzustellen und mit hoher Effektivität zu betreiben.
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- 1
- (Rohr-)Wärmetauscher
- 2
- Gasstrom-Einlass
(Rohgas)
- 3
- Innenraum
des Wärmetauschers
- 4
- Erster
Endbereich des Wärmetauschers
- 5
- Zweiter
Endbereich des Wärmetauschers
- 6
- Erste
Gruppe von Rohren
- 7
- Zweite
Gruppe von Rohren
- 8
- Horizontale
- 9
- Umlenkung
- 10
- Reingas-Auslass
- 11
- Kondensat-Abfluss
- 12
- Kondensat-Leitung
- 13
- Kondensat-Sammelbehälter
- 14
- Leitbleche
- 15
- Kompensator
- 16
- Erster
Rohrboden
- 17
- Zweiter
Rohrboden
- 18
- Erster
Dom
- 19
- Zweiter
Dom
- 20
- Erste
Trennwand
- 21
- Zweite
Trennwand
- 22
- Längsachse
- 23
- Kühlmedium-Einlass
- 24
- Kühlmedium-Auslass
- 25
- Kühlmedium-Kreislauf
- 26
- Fördereinrichtung
- 27
- Heizer
- 28
- Kühler
- 29
- Kühlmittelkreislauf
- 30
- Prozess-Regelung
- 31
- Durchfluss-Messer
für Gasstrom
- 32
- Durchfluss-Messer
für Kühlmedium
- 33
- Durchfluss-Messer
für Kühlmittel
- 34
- Regelventil
für Kühlmittel
- 35
- Erster
Temperaturfühler
- 36
- Zweiter
Temperaturfühler
- 37
- Dritter
Temperaturfühler
- α
- Winkel
der Langsachse 22 zur Horizontalen 8