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Wärmerohr im Kontakt mit flächigen oder linienförmigen Wärmeerzeugern, vorzugsweise in Sonnenkollektoren, und einem Sekundärkreislaufrohr, bei dem der Wärmerohrkondensator von der Hauptrichtung der Wärmerohre abweicht, und das Sekundärkreislaufrohr in seinem Verlauf aus seiner Hauptrichtung abweicht, so dass der Wärmerohrkondensator über einen überwiegenden Anteil seiner Längenerstreckung parallel zum Sekundärkreislaufrohr verläuft und dieses direkt oder indirekt berührt.
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Bekannt sind Wärmerohre in Sonnenkollektoren als Schwerkraftwärmerohre, die die Aufgabe haben, die auf dem Absorber solar erzeugte Wärme zu einem Sekundärkreislauf zu übertragen.
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Das Wärmerohr ist ein geschlossener Behälter, in dem eine geringe Menge eines Wärmeträgers eingefüllt ist. Bei Beheizung der Verdampferzone, im Sonnenkollektor erfolgt dies am Absorber, verdampft das Fluid, steigt als Dampf auf und wird zum Kondensator geleitet. Im Kondensator findet unter Abgabe von Wärme an das mit dem Kondensator in thermischem Kontakt stehende Sekundärkreislaufrohr die Kondensation statt. Das Kondensat fließt durch Schwerkraft getrieben zurück in die Verdampferzone, so dass der Kreisprozess fortgeführt werden kann.
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Wärmerohre werden üblicherweise in Sonnenkollektoren eingesetzt, die aus nebeneinander angeordneten Vakuumröhren bestehen. Die Vakuumröhren haben eine typische Länge von 1,5 bis 2 m, bei einem typischen Durchmesser von 3 bis 10 cm. Der Absorber der Vakuumröhren kann aufgrund seines Längen- zu Breiten-Verhältnisses als linienförmiger Wärmerzeuger bezeichnet werden, das Wärmerohr als linienförmiges Wärmerohr.
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Der Sekundärkreislauf führt die Wärme einer Nutzung oder Speicherung zu. Üblicherweise verlangen Wärmerohre für den Rückfluss des Kondensats einen Mindestneigungswinkel, wobei es auch Anbieter gibt, die eine horizontale Montage erlauben. Ein negativer Neigungswinkel, d. h. der Kondensator liegt unterhalb des Verdampfers, ist bei Schwerkraftwärmerohren aufgrund des behinderten Rücklaufs nicht möglich.
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Neben Vakuumröhrenkollektoren kennt man auch Flachkollektoren, die ihre Wärme über einen Wärmerohrprozess vom Absorber an den Sekundärkreislauf übertragen. Der Wärmeerzeuger, d. h. der Absorber, ist in diesem Fall in der Regel flächig ausgeführt, da Flachkollektoren eine Breite von mehreren Metern annehmen können, bei einer Länge von etwa bis 2,5 m. Er ist dabei entweder aus einem Absorberblech oder mehreren nebeneinander angeordneten Absorberstreifen ausgestattet. Der Absorber kann mit einem flächig (zweidimensional) wirkenden Wärmerohr ausgestattet sein, der aus einem Rohrregister besteht, oder es können mehrere einzelne linienförmige (eindimensionale) Wärmerohre nebeneinander mit dem Absorber kontaktiert werden.
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Bei allen Konstruktionen ist es die Aufgabe, den Wärmestrom aus dem Flächenwärmeerzeuger oder aus den Linienwärmeerzeugern zu dem im oberen Bereich des Kollektors angeordneten Kondensator oder den Kondensatoren zu führen und dort an das im Wesentlichen parallel zur oberen Kante des Kollektors verlaufende Sekundärkreislaufrohr zu übertragen.
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Diese Aufgabe übernimmt der Wärmeübertrager, der auch oft Sammler genannt wird. Ein grundlegendes Problem dabei ist, dass bei im Allgemeinen langer Verdampfungszone und damit großer Verdampferoberfläche für die Kondensation nur ein Bereich mit einer Länge in der Größenordnung des Sekundärkreislaufrohrdurchmessers zur Verfügung steht. Dieses behindert aufgrund der geringen Fläche des Kondensators den Wärmeübergang.
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Eine häufige Maßnahme dagegen ist die Vergrößerung des Wärmerohrdurchmessers im Bereich des Kondensators. Die Kondensationsfläche wird zudem durch gesonderte Konstruktionen des Wärmetauschers angepasst, in dem für den Sekundärkreislauf große Rohrdurchmesser oder Rohrformteile verwendet werden.
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Eine Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche kann auch durch im Sekundärkreislaufrohr eingeschweißte Hülsen erfolgen, in die der Kondensator eingepasst wird. Ein Vakuumröhrenkollektor dieser Art ist in
DE 3024475 A1 beschrieben. Diese Hülsen können auch länger sein als der Sekundärkreislaufrohrdurchmesser, wodurch der Wärmeübergang durch Rippenwirkung verbessert wird. Große Sekundärkreislaufrohrdurchmesser reduzieren aber bei gegebenem Massenstrom die Strömungsgeschwindigkeit und damit den Wärmeübergangskoeffizienten an das Sekundärkreislauf-Fluid. Zudem muss bei der beschriebenen Lösung mittels Hülsen noch der Kontaktwiderstand zwischen Kondensator und Hülse überwunden werden. Hierbei werden oft sogenannte Wärmeleitpasten eingesetzt, die die Aufgabe haben, verbleibende Hohlräume auszufüllen und den Kontaktwiderstand zu verringern. Eine alternative Maßnahme, genannt in
DE 77 03 999 U , sind nass angebundene Wärmerohre, bei denen der Kontakt über die Hülse entfällt, aber für jedes Wärmerohr eine Flüssigkeitsdichtung herzustellen ist.
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Eine andere bekannte Maßnahme sind spezielle Rohrformteile, bei denen das Fluid nur durch einen oder zwei dünne, aber deutlich breitere Spalte, als sie dem Sekundärkreislaufrohr-Durchmesser entsprechen, fließt. Dieses wird durch spezielle und komplexe Formteile z. B. aus Kupfer realisiert. Dieser Spalt wird mit dem Kondensator in Kontakt gebracht, in der Regel mit einer Teil-Umschließung des runden Kondensators. Eine Ausführung dieses Spaltprinzips zeigt
DE 20 2009 006 495 U1 , bei der das Sammlerrohr die Form eines geraden konkav geformten Rohrs aufweist, in das ein senkrecht zum Verdampferteil verlaufender Kondensator mit großem Umschließungswinkel eingelegt wird.
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Eine weitere Möglichkeit der Sekundärkreislaufrohrgestaltung ist in
DE 102 50 745 A1 enthalten, bei dem ein gerades Rohrprofil durch Innenhochdruck-Umformung hergestellt wird. Auch hier wird durch das Sekundärkreislaufrohr ein großer Umschließungswinkel der Kondensatoren hergestellt.
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Auch in
DE 295 10 764 U1 wird ein gerades Rohr so umgeformt, dass es Vertiefungen aufweist, in die mit so vergrößertem Umschließungswinkel die Kondensatoren eingelegt werden. Auch ein Rechteckrohr ist hier möglich, womit eine bessere Abstimmung auf die Länge der Kondensatoren möglich ist. Die kraftschlüssige Verbindung kann durch eine Feder erzeugt werden, die den Kondensator gegen das Rohr drückt. Genannt ist zudem in
DE 94 00 960 U1 , dass das profilierte Rohr durch einen wärmeleitenden Block, der an die Vertiefung z. B. durch Gießen angebracht wird, der Kontaktbereich zwischen dem Sekundärkreislauf und dem Kondensator vergrößert wird.
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Zur thermisch leitenden Verbindung von Kondensatoren und dem Sekundärkreislaufrohr sind weiterhin Klemmverbindungen z. B. aus Aluminium bekannt, die sowohl das kreisrunde Sekundärkreislaufrohr als auch den Kondensator kraftschlüssig umschließen. Ein Beispiel dafür beschreibt
DE 41 20 692 A1 .
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Die bekannten Lösungen haben die Aufgabe, den thermischen Widerstand zwischen dem Kondensator und dem Sekundärkreislauf-Fluid zu reduzieren. Bei einem hohen thermischen Widerstand würde der Wirkungsgrad des Sonnenkollektors deutlich abnehmen. Der ursprünglich hohe thermische Widerstand wird in allen diesen Konstruktionen durch die geringe Kondensatorfläche verursacht, die sich wiederum aus der kurzen Kontaktlänge zwischen dem Wärmerohr oder den Wärmerohren und dem senkrecht dazu verlaufenden Sekundärkreislaufrohr ergibt. Um diesen thermischen Widerstand zu minimieren, werden daher bei den vorhandenen technischen Lösungen ein hoher Materialeinsatz und bzw. oder ein hoher fertigungstechnischer Aufwand für den Wärmetauscher und ggf. die Kondensatoren vorgenommen.
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Zur Vergrößerung der Fläche des Wärmerohrkondensators ist in
DE 77 03 999 U eine Umlenkung des Sekundärkreislaufrohres bei gleichzeitig weiterhin geraden, linienförmigen Wärmerohren genannt. Dieser Ansatz verlangt, dass ein größerer Anteil der Kollektorbruttofläche für den Wärmetausch von Wärmerohren zum Sekundärkreislauf genutzt wird. Daher führt dieser Ansatz zu einem schlechteren Flächenverhältnis von Wärmeerzeuger und Wärmeübertrager, was sich im Falle von Sonnenkollektoren nachteilig auswirkt, da ein möglichst großer Flächenanteil Sonnenstrahlung absorbieren und damit als Wärmeerzeuger wirken sollte.
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Aus
JP 59 14 79 51 A ist ein Sonnenkollektor mit einem mäanderförmigen Wärmerohr bekannt, wobei der Wärmerohrmäander horizontal verläuft und das Wärmerohr über einen Kondensator verfügt, der in diesem Fall direkt in einen Speicher als Wärmesenke eingebunden ist. Diese Anordnung erfordert in jedem Fall einen liegenden Speicher oberhalb des Kollektors in den der Kondensator eingetaucht ist. Damit ist eine Integration dieser Kollektorlösung in Zwangsumlaufsolarsysteme mit einem kollektorunabhängig aufgestellten Speicher nicht sinnvoll möglich. Die genannte Anordnung hat ebenfalls zur Folge, dass der gesamte Wärmetransport von Wärmeerzeuger zu Wärmespeicher über ein Wärmerohr erfolgt, da hier nicht mehrere parallele Wärmerohrstränge vertikal in der Flächenebene des Wärmeerzeugers verlaufen. Dieser Sachverhalt fordert einen extrem großen Wärmerohrdurchmesser, da der Massenstrom im Wärmerohr proportional zur übertragenen Wärmemenge ist und der Wärmerohrdurchmesser diesem angepasst werden muss.
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Die Vermeidung der vorgenannten Nachteile ist Aufgabe der erfinderischen Vorrichtung nach Anspruch 1.
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Die Erfindung betrifft mindestens ein Wärmerohr mit mindestens je einem Kondensator, und ein Sekundärkreislaufrohr, wobei das Sekundärkreislaufrohr von seiner Hauptrichtung durch die Ausformung mindestens eines Bogens abweicht, damit der Kondensator über einen überwiegenden Anteil seiner Längenerstreckung parallel zu einem Teilbereich des Sekundärkreislaufrohrs verläuft und dieses direkt oder indirekt berührt und so ein direkter oder indirekter thermischer Kontakt zwischen Kondensator und Sekundärkreislaufrohr hergestellt wird.
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1 zeigt eine Ausführung der Erfindung, bei der eine solarthermische Vakuumröhre als Wärmeerzeuger dient. Der Verdampfer des Wärmerohrs (2) ist mit dem Solarabsorber (4) kontaktiert, so dass die durch Sonnenstrahlung erzeugte Wärme zur Verdampfung des Wärmerohr-Wärmeträgers führt. Dieser Bereich ist in einer transparenten und evakuierten Glasröhre (5) eingebracht. Außerhalb der Glasröhre liegen der Transportbereich des Wärmerohrs (6) und der Kondensator (3), in dem der Dampf kondensiert und anschließend zurück in den Verdampferbereich fließt. Die Kondensationswärme wird an das Sekundärkreislaufrohr (1) übertragen und führt zur Erwärmung des dort vorliegenden Wärmeträgers, der in der Regel flüssig ist.
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Die Vergrößerung der Kontaktlänge bedeutet gleichzeitig sowohl eine größere Kondensatorfläche als auch ein verbesserter Wärmeübergang auf der Sekundärkreisseite. Dieser kann dadurch noch verbessert werden, indem der Rohrdurchmesser reduziert wird, wodurch zudem eine deutliche Materialeinsparung erreicht wird. Es ist zudem denkbar, im Sekundärkreislaufrohr auf Bögen oder Winkel zu verzichten und stattdessen den Winkel im Wärmerohr zu erhöhen. Dabei muss man beachten, dass dabei der Rückfluss des Kondensats in den Verdampferbereich gesichert ist, da im Kondensator bei nicht exakter Ausrichtung des Sekundärkreislaufrohrs unabhängig von der Kollektorflächenneigung Kondensatsäcke entstehen können, die dem Wärmerohrprozess entzogen werden.
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Eine weitere Ausführung zeigt 2. Hier beschreibt das Sekundärkreislaufrohr eine regelmäßige Wellenform, die in der Ebene verläuft, die durch die Vakuumröhren aufgespannt wird. Im Beispiel der 2 sind pro Welle zwei Kondensatoren mit gegenläufigen Bögen vorhanden. Die Form der Bögen kann dem Ausschnitt einer Sinus-, Rechteck-, Halbkreis-, Dreieck- oder Sägezahnschwingung entsprechen oder an einen von diesen angenähert sein. Die Wärmerohre sind entsprechend beispielsweise durch Biegen oder Knicken zu formen, um den bestmöglichen Kontakt herzustellen.
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Der Kontakt kann durch Lötung, Schweißung, Klebung oder über andere stoffschlüssige Verbindungsverfahren hergestellt werden. Denkbar sind auch gerade oder gebogene Laschen, die als Wärmeleitbleche fungieren. Dazu zeigt 3 ein Beispiel in der Draufsicht, das im Schnitt in 3a gezeigt ist. Dabei sind die Laschen (7) oben und unten an dem Sekundärkreislaufrohr (1) angeschweißt oder angelötet und mittels Schweißung oder Lötung mit dem Kondensator (3) verbunden, so dass der Wärmetransport über die als Wärmeleitrippen fungierenden Laschen (7) erfolgt. Im Beispiel von 3a können das Sekundärkreislaufrohr und der Kondensator unterschiedliche oder den gleichen Durchmesser aufweisen.
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Weitere Möglichkeiten des Kontakts sind durch vom zylindrischen Profil abweichende Geometrien des Kondensators möglich. 4 zeigt eine Ausführung der Erfindung, bei der das Sekundärkreislaufrohr einen kreisförmigen Querschnitt hat und der Kondensator eine Wölbung nach innen aufweist.
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Die Ausführung nach 2 erfordert jeweils im Wechsel nach links und rechts gebogene Kondensatoren (3), wobei der Absorber (4) jeweils mit seiner absorbierenden Schicht nach oben, zur Sonne, ausgerichtet ist. Damit sind zwei unterschiedliche Vakuumröhrenvarianten erforderlich, eine nach links und eine nach rechts abknickende. Um diese Einschränkung zu umgehen, zeigt 5 eine Variante, bei der ein angenähertes Sägezahnprofil eingesetzt wird, durch das alle Kondensatoren (3) gleichgerichtet an den Sekundärkreislauf (1) angeschlossen werden. Die Verbindung ist hier mit 2 Rohrbindern (9) dargestellt.
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Die bisher diskutierten Ausführungen betreffen Linienwärmerohre, wie sie in Vakuumröhren anzutreffen sind. Möglich ist es, flächige Absorber größerer Breite als Wärmeerzeuger einzusetzen, womit solarthermische Flachkollektoren per Wärmerohr angeschlossen werden können. Die flächigen Absorber können mit nebeneinander angeordneten Linienwärmerohren ausgestattet werden, was im Grundsatz oben bereits beschrieben ist. Es ist nach 6 in einer weiteren Ausführung der Erfindung auch möglich, dass das Wärmerohr aus einem U-förmigen Rohr besteht, das an eine größere Breite des Absorbers (4) kontaktiert werden kann, wobei der Bogen des U-Rohrs (11) unterhalb der beiden Verdampferbereiche (10) liegt und die beiden oberen Enden des U-Rohrs die, wie oben beschriebenen, geeignet geformten und abgewinkelten Kondensatoren (12) sind. Die Kontaktierung zwischen Absorber (4) und der Verdampferbereiche des U-Rohrs (10) kann durch in der Solarthermie-Absorberfertigung übliche Verfahren wie Laserschweißen, Ultraschallschweißen, Löten, Klemmen oder Kleben hergestellt werden. Mehrere U-Rohr-Konfigurationen können entsprechend 6 nebeneinander bis zur Gesamtbreite des Sonnenkollektormoduls angeordnet werden.
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Bei einem typischen Rohrabstand bei Flachkollektoren von 10 cm kann pro U-Rohr-Konfiguration nach 6 die Wärme von 20 cm Absorberbreite abgeführt werden. Bei einer Kollektorbreite von 1 m sind demnach 5 nebeneinander angeordnete U-Rohr-Konfigurationen notwendig.
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Um die Anzahl von Einzelteilen bei der Kollektorfertigung zu reduzieren, ergibt sich in einer weiteren Ausführung der Erfindung nach 7a ein Rohrmäander (13) als flächig wirkendes Wärmerohr, dessen gerade Teilstrecken senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Sekundärkreislaufrohrs (1) orientiert sind und der an seinen oberen Bögen (14) am Sekundärkreislaufrohr (1) kontaktiert wird. An den Hochpunkten (15) des Mäanders kann die innere Verbindung der Rohrbereiche untereinander beispielsweise durch Zuklemmen oder Zuschweißen unterbrochen werden, wenn sicher gestellt ist, dass in jedem Segment eine ausreichende Flüssigkeitsfüllung für den Wärmetransport enthalten ist.
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Nach 7a ist der als Wärmerzeuger wirkende Solarabsorber von einer ausreichenden Breite, um in einem solarthermischen Flachkollektor anwendbar zu sein. Es ist aber auch eine Variante möglich, bei der der Mäander mit jedem unteren Bogen in je eine Ganzglas-Vakuumröhre eingeführt wird, wobei der Wärmetransport zwischen der Absorberrückseite aus Glasrohr und den Schenkeln des Wärmerohres durch Leitbleche unterstützt werden kann.
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7b zeigt eine Variante der Erfindung, bei der das Sekundärkreislaufrohr oberhalb der Ebene des Kondensatorbereichs verläuft.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung nach 8 wird das flächige Wärmerohr als harfenförmiges Rohrregister ausgeführt. Zur Aufrechterhaltung des Kondensat-Rückflusses dient die wellenförmige Ausführung des oberen Verbindungsrohrs des Harfenregisters (16), das als Kondensator wirkt. Die Harfenrohre (18) dienen als Verdampfer, sie sind mit dem Absorber (4) kontaktiert. Ausführungen sind möglich mit und ohne unteres Verteilerrohr (17), das die Harfenrohre (18) verbindet und so für einen einfachen Ausgleich der Flüssigkeitsstände sorgt. Das Sekundärkreislaufrohr (1) ist nach 8 parallel zum oberen Verbindungsrohr (16) gewellt, so dass hier auch ein möglichst guter Kontakt realisiert werden kann. Beide Rohre können beispielsweise aneinander geschweißt oder gelötet werden. Dargestellt ist eine Variante mit mindestens einer Verbindungslasche (19), die den Wärmeübergang als Wärmeleitrippe übernimmt oder unterstützt.
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Flächenwärmerohre haben den grundsätzlichen Vorteil, dass ihre Fertigung nur einen Evakuierungs- und Füllvorgang beinhaltet. Zudem sinkt pro Quadratmeter Kollektor die Anzahl der zu verbindenden Teile deutlich. Wird das Flächenwärmerohr als Mäander nach 7 ausgeführt, reduzieren sich zudem die insgesamt vakuumdicht auszuführenden Verbindungsstellen deutlich, wenn man es mit nebeneinander angeordneten Linienwärmerohren vergleicht. Bei der Ausführung als Harfe nach einer der Varianten in 8 ist dies nicht der Fall. Zudem kann, wenn es in der Ausführung vorgesehen ist, die Verbindungslasche oder die Verbindungslaschen über die gesamte Breite des Wärmerohrs ausgeführt werden, was auch Fertigungsschritte reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sekundärkreislaufrohr
- 2
- Wärmerohr
- 3
- Kondensator des Wärmerohrs
- 4
- Absorber (Wärmeerzeuger)
- 5
- evakuierte Glasröhre
- 6
- Transportbereich des Wärmerohrs
- 7
- Wärmeleitblech
- 9
- Klemmschelle
- 10
- Verdampferbereiche von U-Rohr-Wärmerohr
- 11
- unterer Bogen von U-Rohr-Wärmerohr
- 12
- Kondensator von U-Rohr-Wärmerohr
- 13
- Verdampferbereich in flächig wirkendem Wärmerohr aus Rohrmäander
- 14
- Kondensatorbereich in flächig wirkendem Wärmerohr aus Rohrmäander
- 15
- Hochpunkt in Kondensatorbereich in flächig wirkendem Wärmerohr aus Rohrmäander
- 16
- Kondensatorbereich (oberes Verbindungsrohr) von Harfenregister-Wärmerohr
- 17
- unteres Verteilerrohr von Harfenregister-Wärmerohr
- 18
- Harfenrohr (Verdampferrohr) in Harfenregister-Wärmerohr
- 19
- Verbindungsleitblech (Lasche) zwischen Kondensatorbereich und Sekundärkreislaufrohr in Flächenwärmerohr