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Die
Erfindung betrifft einen Verbundwärmetauscher für den Einsatz
im chemischen Apparatebau sowie auf weiteren Gebieten, beispielsweise
der Energietechnik, bestehend aus einem metallischen Rahmenkörper und
einem Plattenstapel aus faserverstärkter Keramik, wobei die gestapelten
Platten mindestens zwei Kanalsysteme bilden, die übereinander
durch mindestens eine Platte getrennt in beliebig vielen Schichten
angeordnet sind und an gegenüberliegenden
Seiten des Plattenstapels durch Deckplatten, die Zulauf- und Ablaufeinrichtungen
aufnehmen, begrenzt sind.
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Bekannt
ist aus der
DE 42 38
190 C2 ein Keramikmodul, bei dem durchgehende Kanäle in Reihen
angeordnet und zwischen den Kanalreihen Strömungsräume ausgebildet sind, die an
gegenüberliegenden
Seiten durch Deckplatten begrenzt sind. In den Strömungsräumen sind
mindestens zwei Querstege hintereinander auf gleicher Ebene angeordnet. Mindestens
die Hälfte
der Strömungsräume sind durch
Querstege unterschiedlicher Länge
voneinander getrennt, und die Kanäle erstrecken sich im wesentlichen
senkrecht zu den Strömungskanälen.
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Durch
Variieren der Länge
der Stege kann der Wärmetausch
sowie die Medienverwirbelung in den Strömungsräumen beeinflußt werden.
Die einzelnen Karten zum Aufbau des Keramikmoduls können aus
einer endlos herstellbaren Karte geschnitten werden, wodurch sich
die Struktur der einzelnen Karten variieren läßt. so daß innerhalb des Keramikmoduls
mindestens 3 bis 20 verschiedene Kartenstrukturen zu dessen Aufbau
verwendet werden können. Es
lassen sich ferner Module für
parallel strömende Medien
durch Gestaltung der Deckplatten bzw. durch Verwendung von Blindkarten
aufbauen. Durch Abweichung der Lochmittelpunkte von der gemeinsamen
Lochreihenachse können
Module aufgebaut werden, bei denen die durch die Löcher gebildeten Kanäle eine
stufen- bis schraubenförmige
Oberfläche
erhalten.
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Nachteilig
ist die große
Anzahl unterschiedlicher Kartenmuster für den Aufbau des Keramikmoduls,
sowie die begrenzte Reinigungsmöglichkeit
der Kanäle.
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Weiterhin
ist aus der
DE 36 43
750 A1 ein Wärmetauschermodul
aus gebranntem keramischem Material, der aus einem Stapel gestanzter
und laminierter grüner
keramischer Karten hergestellt ist. Der Stapel besteht aus mindestens
zwei Karten. Die Karten weisen erste Ausnehmungen auf, die bei gestapelten
Karten rohrförmige
Kanäle
bilden und zweite Ausnehmungen, die um die ersten Ausnehmungen angeordnet
sind, und die sich bei gestapelten Karten mit den zweiten Ausnehmungen
benachbarter Karten teilweise überlappen.
Dabei bilden sich in Kartenebene liegende Kanäle aus, die die rohrförmigen Kanäle umgeben.
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Durch
Brennen eines Stapels gestanzter und laminierter grüner keramischer
Karten wird ein Wärmetauschermodul
hergestellt. Die Wärmetauschermodule
eignen sich zum Aufbau von Wärmetauschersystemen,
wobei diese zweckmäßig zu Säulen zusammengesetzt
werden.
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Der
Nachteil der Lösung
besteht darin, daß die
einzelnen Karten ein relativ kompliziertes Muster von kreisförmigen und
schlitzförmigen
Ausnehmungen aufweisen. Zwar können
einzelne Module (Kartenstapel) innerhalb des Wärmetauschersystems ausgetauscht
werden, aber nicht einzelne Karten des Moduls bzw. Kartenstapels.
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Das
Gebrauchsmuster
DE
73 42 844 U1 betrifft einen Wärmetauscher, bei dem verhältnismäßig dünne Einzelplatten
aus Glas Tauscherplatten bilden und sowohl die Dichtung der Stoßfugen als
auch die Streifen mit Dichtung von einer zusammenhängenden
Anhäufung
von gleichzeitig dichtenden Klebematerial gebildet wird und in den
Durchflußkanälen an vorgegebenen
Positionen übereinanderliegende Klebematerialhäufchen Tragsäulen bilden.
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Bei
dieser Lösung
wird ein Skelett aus einem Dichtungs- und Klebematerial, wobei einer
der wesentlichsten Eigenschaften des Skeletts ist, daß es elastisch
ist, das heißt
die Tauscherplatten werden elastisch dichtend und miteinander verklebt
im Skelett gehalten.
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Der
Nachteil dieser Lösung
besteht darin, daß sich
dieser nach der Montage nicht mehr zerstörungsfrei demontieren läßt.
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Die
DE 689 05 718 T2 beschreibt
ein regeneratives Wärmetauschersystem
zur Anwendung in Stirling-Motoren. Dieses Wärmetauschersystem ist nicht
vergleichbar mit dem Verbundwärmetauscher des
Anmelders.
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Regenerator
und die Wärmezufuhr-
und -abgabeaustauscher müssen
hier aufgrund der häufigen Flußumkehrungen,
die in einem Motor im Betrieb auftreten können, sehr leistungsfähig sein.
Bei Drehzahlen von 3000 Umdrehungen pro Minute steht für die Wärmeübertragung
eine Zykluszeit für
die Wärmeübertragung
in und aus dem gasförmigen
Arbeitsmedium nur 0,02 Sekunden zur Verfügung. Das regenerative Wärmetauschersystem
besteht aus gestapelten alternierenden Schichten, wobei jede Schicht
aus Materialien mit abwechselnd hohen Koeffizienten und niedrigen
Koeffizienten der Wärmeleitfähigkeit und
entsprechenden, ähnlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
in der geometrischen Ebene jeder Schicht besteht.
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Die
DE 100 49 890 A1 betrifft
einen Stapelscheiben-Wärmeüberträger, bei
dem mittels Trennwände
Strömungsweg
und Verweilzeit des Mediums durch Umlenkung vergrößert wird.
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Aus
der
DE 196 17 396
A1 in Strömungsmodul,
umfassend eine Mehrzahl von Plattenelementen bekannt, wobei von
der beiden jeweils sich gegenüberliegenden
Oberflächen
benachbarter Plattenelemente mindestens eine Plattenelementoberfläche eine
geradlinig parallel ausgebildete Profilierung aufweist, so daß zwischen
benachbarten Plattenelementen Strömungsräume aus einer Mehrzahl geradliniger,
paralleler Strömungskanäle gebildet
werden.
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Die
zur Realisierung einer verläßlichen
Dichtung sowie zur Minimierung der Gestehungskosten zwischen jeweils
zwei Plattenelementen eingesetzten Dichtungen sind jeweils als umlaufende
Dichtungen ausgebildet, die in einer umlaufenden Nut einer Plattenoberfläche integriert
wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen Verbundwärmetauscher
zu schaffen, dessen keramische Platten in einfacher Form ausgebildet
sind, wobei diese ohne zusätzliches
Brennen bzw. Laminieren zu einem Plattenstapel und somit zu einem
Verbundwärmetauscher
zusammenfügbar sind,
wobei dieser zerstörungsfrei
demontiert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
indem der Verbundwärmetauscher
aus einem metallischen Rahmenkörper
und einem Plattenstapel mit einer Vielzahl von ebenen Platten besteht,
in deren Eckbereichen jeweils ein Einlaß- und ein Auslaß und zwischen
den einzelnen ebenen Platten umlaufende, gleichzeitig als Abstandshalter
ausgebildete Dichtelemente angeordnet sind, wobei die Platten derart
ausgebildet sind, daß diese
aus einer unprofilierten ebenen Grundplatte und einem auf dieser
aufgesetzten ebenen Rahmenplatte bestehen und die ebene Grundplatte
mit der Rahmenplatte mittels eines Keramikklebers aus artgleichem
keramischen Material verbunden ist.
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Die
ebene Grundplatte und die Rahmenplatte bestehen aus einem faserverstärkten Keramikwerkstoff,
wobei in einer keramischen Matrix beschichtete Endlosfasern in einem
geordneten Zustand angeordnet sind.
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Keramische
Werkstoffe sind in der Regel spröde
und bruchintolerant. Dies hat zur Folge, daß Bauteile aus Keramik meist
klein oder dickwandig ausgeführt
werden müssen.
Großflächige und
dünnwandige
Strukturen können
aus monolithischer Keramik nicht hergestellt werden. Um diesen Mangel
zu beheben, werden Fasern in eine keramische Matrix eingebracht.
Um die Bindung zwischen Fasern und Matrix positiv zu beeinflussen,
werden die Fasern beschichtet.
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Um
die keramische Matrix zwischen die einzelnen Filamente zu bringen,
bedarf es eines Infiltrationsverfahrens.
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Die
beschichteten Fasern (Rovings) werden in ein textiles Gebilde überführt, das
mit einem Precursor infiltriert wird.
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Der
Ordnungszustand für
die beschichteten Fasern ist durch Ablegen, Wickeln oder Verweben von
Rovings herstellbar.
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Die
infiltrierten textilen Gebilde durchlaufen anschließend folgende
Prozeßschritte:
- – Laminieren
der infiltrierten Gewebelagen zu einer Platte bzw. Rahmenplatte
- – Trocknen
und Härten
des infiltrierten Precursors zu einem vorkeramischen Netzwerk
- – Pyrolyse
des vorkeramischen Netzwerkes zu einer amorphen, kovalenten Keramik
- – Wärmebehandlung
der amorphen, kovalenten Keramik.
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Die
keramischen ebenen Platten bzw. Formen können in beliebiger Dicke hergestellt
werden.
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Die
ebene Grundplatte wird mit der Rahmenplatte mittels eines artgleichen
keramischen Materials verbunden.
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Nach
Auftragen eines Keramikklebers, vorzugsweise aus einem artgleichen
Material wie die zu verbindenden Teile, auf die Rahmenplatte wird
diese auf die Grundplatte aufgesetzt und durch Einwirkung von Druck
und Temperatur miteinander verbunden.
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Die
hergestellten Platten weisen eine offene Porosität auf. Die Poren werden anschließend durch eine
keramische Imprägnierung
geschlossen, um so eine mediendichten Platte für den erfindungsgemäßen Verbundwärmetauscher
zu erhalten.
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Die
als Abstandshalter ausgebildeten und zwischen den Platten angeordneten
Dichtungselemente sind so beschaffen, daß die Randbereiche der Dichtungselemente
die einander benachbarten Platten in etwa bis zu ihrer halben Materialdicke
umgreifen, so daß beim
Verspannen des Plattenstapels im Rahmenkörper sich eine nahezu geschlossene
Außenhaut
um den Umfang des Plattenstapels ergibt.
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Die
ebenen Platten sind an ihrem Ende gekröpft ausgeführt, so daß sich im Zusammenbau eine ansteigende
bzw. abfallende Kammer ergibt.
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Die
ebenen Platten weisen in ihren Eckbereichen jeweils zwei diametral
gegenüberliegende
Bohrungen auf, die den Einlaß bzw.
den Auslaß für die jeweilige
Kammer bilden.
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Die
auf der ebenen Grundplatte angeordnete Rahmenplatte besitzt jeweils
an zwei gegenüberliegenden
Eckbereichen Materialanhäufungen,
welche innerhalb des Plattenstapels von Platte zu Platte wechseln.
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Im
Bereich der Einlaßbohrungen
auf der Grundplatte sind Verteilerelemente in Form von Stegen angeordnet.
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Auf
der Grundplatte sind Turbulenzelemente beliebiger Geometrie und
Anordnung vorgesehen.
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Die
Kammern innerhalb des Plattenstapels bilden sich durch Aufsetzen
der Platten aufeinander, wobei die Unterseite der jeweils aufgesetzten
Platte die Abdeckung der darunterliegenden Kammer bildet.
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Das
Kammervolumen wird zum einen durch die Dicke der Rahmenplatte sowie
des Dichtelementes und zum anderen vom ausgeschnittenen Bereich der
Rahmenplatte bestimmt.
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Der
unter Verwendung von faserverstärkten keramischen
Platten hergestellte Verbundwärmetauscher
weist eine hohe Stabilität
gegenüber
korrosiven Medien und/oder hoher Temperatur auf. Als weitere vorteilhafte
Eigenschaft sind eine erhöhte
Bruchzähigkeit
sowie Temperaturwechselbeständigkeit
zu nennen.
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Anhand
eines Ausführungsbeispieles
soll die Erfindung näher
beschrieben werden. Es zeigen
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1 – Vorderansicht
des Verbundwärmetauschers
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2 – Seitenansicht
des Verbundwärmetauschers
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3 – Draufsicht
auf den Plattenstapel – Deckelement
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4 – Grundplatte
des Verbundwärmetauschers – Bodenelement
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5 – perspektivische
Darstellung der Grund- und Rahmenplatte
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6a – Draufsicht
auf die Platte mit Einzelheiten
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6b – Draufsicht
auf die Platte mit Einzelheiten
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Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher,
als Plattenwärmetauscher
im Gegenstromprinzip ausgeführt,
ist in 1 – Vorderansicht – und 2 – Seitenansicht – dargestellt.
Er besteht im wesentlichen aus einem Plattenstapel 2, der
in einem metallischen Rahmenkörper 1 angeordnet
ist.
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Der
Plattenstapel 2 besteht aus den Platten 3 und 3', wobei zwischen
einzelnen Platten 3 und 3' jeweils ein Dichtelement 6 angeordnet
ist.
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Auf
dem Bodenelement 13 – 4 – werden im
Wechsel die Platten 3 und 3' angeordnet. Ist die gewünschte Anzahl
der Kammern erreicht, wird das Deckelement 14 – 3 –, das mit
Einrichtungen für den
Einlaß 8, 9' und den Auslaß 9, 8' versehen ist, aufgesetzt
und mittels der Stegbolzen 12 verspannt.
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Der
zwischen Bodenelement 13 und Deckelement 14 verspannte
Plattenstapel 2 wird in den Rahmenkörper 1 eingebracht.
Dieser dient zur Montage des Verbundwärmetauschers in der entsprechenden
Anlage.
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Die 5 zeigt
eine perspektivische Darstellung der Grundplatte 4 und
der Rahmenplatte 5. Die Grundplatte 4 ist als
dünne faserverstärkte Keramikplatte
ausgebildet und weist in den Eckbereichen jeweils den Einlaß 8 und 9' sowie den Auslaß 9 und 8' auf. Auf diese
Grundplatte 4 wird jeweils eine Rahmenplatte 5 aufgesetzt.
Die Rahmenplatte 5 ist ebenfalls aus einem faserverstärkten Keramikmaterial hergestellt.
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Über die
Dicke der Rahmenplatte 5 kann das Kammervolumen variiert
werden. In zwei diametral gegenüberliegenden
Eckbereichen sind Materialanhäufungen 7 vorgesehen,
in denen ein Einlaß 8' und ein Auslaß 9' für die darüber- bzw.
darunterliegende Kammer angeordnet ist.
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Diese
Rahmenplatten 5 werden nun mit Grundplatten 4 durch
Kleben verbunden und zwar derart, daß die Rahmenplatte 5 abwechselnd
um 360° verdreht
aufgebracht ist.
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In
den 6a und 6b sind
die jeweils so ausgeführten
Platten 3 und 3' dargestellt.
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Auf
der Grundplatte 4 sind im Bereich des Einlasses 8' Verteilerelemente 11 und
im Mittelbereich Turbulenzelemente 15 angeordnet (6a).
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Bei
der Platte 3' – 6b – sind auf
der Grundplatte 4 die Verteilerelemente im Bereich des Einlasses 8 angeordnet.
Im Mittelbereich sind hier ebenfalls Turbulenzelemente 15 angeordnet.
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Durch
den inneren ausgeschnittenen Bereich und die Dicke der Rahmenplatte 5 sowie
des Dichtelementes 6 wird das Kammervolumen bestimmt.
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Bei
einer Möglichkeit
zur Herstellung der Grundplatten 4 und Rahmenplatten 5 werden
die vorliegenden Faserbündel
(Rovings) mit einer Schicht, beispielsweise aus C, SiC oder anderen
kohlenstoffhaltigen Materialien beschichtet. Die Fasern sind in Rovings
von 1000 und mehr Filamenten zusammengefaßt, wobei die Fasern einen
Durchmesser < 10 μm aufweisen.
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Die
Rovings werden als Ganzes durch einen CVD-Prozeß (Chemical Vapour Deposition)
beschichtet. Nach der Beschichtung werden diese Rovings als Gelege
oder Gewebe eingesetzt.
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Die
Gelege oder Gewebe werden geschnitten und mit einem Schlicker, bestehend
zum Beispiel aus Carbosilan (Precursor für die SiC-Matrix), einem Lösungsmittel,
beispielsweise Xylol, und SiC-Pulver getränkt. Die getränkten Gelege
bzw. Gewebe in einer Form zu einem Laminat übereinander gelegt und unter
Druck bei ca. 200 °C
zu einer Preform umgewandelt. Während
dieser Umwandlungsphase wird das Carbosilan in Polycarbosilan umgewandelt
und das Lösungsmittel
ausgetrieben.
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Anschließend wird
der so erhaltenen Körper auf
eine Temperatur von 1100 °C
gebracht und so lange auf diesem Temperaturniveau gehalten, bis sich
das Polycarbosilan zu SiC zersetzt hat (Pyrolyse).
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Die
erhaltene Grundplatte 4 bzw. die Rahmenplatte 5 weisen
noch Poren im Werkstoff auf. Um diese weitgehend zu schließen, werden
Grundplatte 4 und Rahmenplatte 5 mit einer keramischen
Imprägnierung
versehen. Eine derartige Nachimprägnierung kann beispielsweise
auf keramischem Wege über
Infiltration von prä-keramischen
Polymeren in die Poren und ihrer anschließenden Keramisierung unter
Luftausschluß erfolgen.
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Neben
der vorbeschriebenen Herstellung der Rahmenplatte 5 besteht
auch die Möglichkeit,
nur Grundplatten herzustellen und dann aus diesen die entsprechenden
Rahmen durch Aussägen
des inneren Teils herzustellen.
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Nachdem
Grundplatte 4 und Rahmenplatte 5 hergestellt sind,
werden diese durch Kleben miteinander verbunden, wobei als Kleber
beispielsweise ein siliziumhaltiges Material zu Anwendung kommt.
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Bei
allen Platten 3 und 3' des Plattenstapels 2 haben
Grundplatte 4 und Rahmenplatte 5 die gleiche Form.
Nur durch Wenden der Rahmenplatte 5 auf der Grundplatte 4 um
360° werden
die entsprechenden Platten 3 und 3', die für den Aufbau des Plattenwärmetauschers
benötigt
werden, hergestellt.
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- 1
- Rahmenkörper
- 2
- Plattenstapel
- 3;
3'
- Platten
- 4
- Grundplatte
- 5
- Rahmenplatte
- 6
- Dichtelement
- 7
- Materialanhäufung
- 8;
8'
- Einlaß
- 9;
9'
- Auslaß
- 10
- Kammer
- 11
- Verteilerelemente
- 12
- Stegbolzen
- 13
- Bodenelement
- 14
- Deckelement
- 15
- Turbulenzelemente