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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet von Wärmeübertragung zwischen Fluiden.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher bzw. einen Wärmeübertrager.
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Stand der Technik
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Da
ein Wärmeaustausch
bzw. eine Wärmeübertragung,
insbesondere zwischen Fluiden, oft ein elementarer Prozeßschritt
bei verschiedenartigen Vorgängen
ist, gibt es in diesem Bereich vielfältige Entwicklungen, um die
resultierenden Kosten einer Wärmeübertragung
bei unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich chemischer Beständigkeit,
Verschmutzung und eines Temperaturbereichs zu erfüllen. Vereinfachend
kann gesagt werden, dass vorwiegend Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit zum
Bau von Wärmetauschern
bzw. Wärmeübertragern
eingesetzt werden. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Kupfer, Aluminium
und Edelstahl.
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Bei
Ausgestaltung eines Wärmeübertragers können die
Anforderungen an den entsprechenden Wärmeübertrager wie folgt zusammengefasst
werden:
- – Kompakte
Bauweise, um den Platzbedarf zu reduzieren.
- – Dünne Trennwände zwischen
den Fluiden, um einen auftretenden Wärmetransportwiderstand zu minimieren.
- – Optimierte
Strömungsführung, um
mit möglichst geringem
Druckverlust eine turbulente Strömung zu
erhalten, da bei laminarer Strömung
der Wärmetransportwiderstand
der Fluide selbst überwiegen
würde.
- – Geringe
Anfälligkeit
gegen Verschmutzungen („fouling").
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Auf
der Basis dieser Anforderungen können im
wesentlichen die drei folgenden Typen von Wärmeübertragern unterschieden werden:
- a) Plattenwärmeübertrager
sind die derzeit am häufigsten
eingesetzten Wärmeüberrtager,
wobei dabei verwendete Platten entweder plan gestapelt oder auch
gebogen sein können.
Gebräuchliche Typen
und Materialien sind zum Beispiel auf der Internetseite www.alfalaval.com
beschrieben, die auf einen weltweit führenden Anbieter verweist bzw.
diesem zuzuordnen ist.
- b) Rohrbündelwärmeübertrager
werden hauptsächlich
bei verschmutzten Fluiden oder bei zusätzlichen Anforderungen, z.B.
bei einem simultanen Stoffaustausch zwischen Fluiden, eingesetzt.
- c) Doppelmantelwärmeübertrager,
die zumeist aus zwei konzentrischen Rohren bestehen.
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Die
thermodynamischen Grundlagen für
den Bau von Wärmeübertragern
können
zum Beispiel bei "Baehr,
Stephan, Wärme-
und Stoffübertragung, Springer
Verlag" nachgelesen
werden. Die Entwicklung der letzten Jahrzehnte konzentrierte sich
auf die Strukturierung von Wärmeübertragungsflächen durch
Prägeprozesse
zur Verbesserung von Strömungseigenschaften,
d.h. zur Erzielung von Turbulenzen mit einem möglichst geringen Druckverlust, was
somit zur Verbesserung des entsprechenden Wärmedurchgangskoeffizienten
beiträgt.
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Zwischenzeitlich
gibt es die oben genannten Typen von Wärmeübertragern auch aus Kunststoffen,
die vorwiegend für
erhöhte
Anforderungen, insbesondere bei chemisch aggressiven Medien, eingesetzt
werden. Derartige Wärmeübertrager
können z.B.
auf der Internetseite www.calorplast.de gefunden werden.
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Alle
gängigen
metallischen Wärmetauscher bzw.
Wärmeübertrager
benötigen
verhältnismäßig aufwändige Fertigungsverfahren,
um die Wärmeübertragungsflächen hinsichtlich
der Wärmeübertragungseigenschaften
zu optimieren. Zudem sind Kupfer, Aluminium und Edelstahl sehr teure
Werkstoffe.
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Gebräuchliche
Wärmeübertrager
aus Kunststoffen benötigen
sehr große
Oberflächen,
da hier zumeist auf die genannte Oberflächenstrukturierung verzichtet
wird. Zudem ist Kunststoff ein schlechter Wärmeleiter, welcher bei konventioneller
Bauweise, aufgrund der schlechteren mechanischen Festigkeit gegenüber Metallen,
zudem noch dickere Wandstärken
benötigt.
Darüber
hinaus wird bei konventionellen Wärmeübertragern durch eine häufige Umlenkung
der Fluide ein Druckverlust erzeugt, der nicht oder nur sehr wenig
zur Turbulenz bei der Wärmeübertragung
beiträgt
und daher im Grunde unnötige Betriebskosten,
bspw. durch dabei benötigte
Pumpenenergie, verursacht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfach zu fertigenden Wärmetauscher
aus kostengünstigen
Materialien bereitzustellen, der bei reduzierten Kosten und besserer
chemischen Beständigkeit
hinsichtlich der charakteristischen Größen Wärmedurchgangskoeffizient und
Druckverlust keine Nachteile gegenüber konventionellen Wärmetauschern aufweist.
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Dazu
stellt die Erfindung eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung bzw. zum Austausch
von Wärme zwischen
Fluiden bereit, bei der dünne,
elastische kunststoffhaltige Folien als Wärmeübertragungsflächen zwischen
Strömungskanäle der Fluide
eingesetzt sind.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung soll unter der Bezeichnung "Fluid" ganz allgemein ein fließfähiges Medium
verstanden werden. Das bedeutet, daß hierunter nicht nur Gase
und Flüssigkeiten, d.h.
homogene Phasen, sondern bspw. auch Emulsionen und Suspensionen
zu verstehen sind.
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Die
eingesetzten Folien können
neben verschiedenen Kunststoffen auch andere Materialien, insbesondere
Metall und/oder Russ, zur Erhöhung von
Wärmeleitfähigkeit,
Fasern zur Erhöhung
mechanischer Festigkeit, und/oder Mineralien und/oder Keramiken
zur Verbesserung von Folieneigenschaften enthalten. Auch können die
Wärmeübertragungsflächen aus
mehreren Folienschichten aufgebaut sein.
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Zur
Vergleichmäßigung von
Fluidströmungen
in der Vorrichtung und zur Erhöhung
von Strömungsturbulenz
können
zusätzliche
Einbauten in den durch die Folien begrenzten Strömungskanälen vorhanden sein, welche
vorzugsweise als Gitternetze ausgeführt sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform
können durch
eine Oberflächenstrukturierung
der Folien definierte Strömungskanäle für Fluidströmungen geschaffen
werden.
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Vorteilhaft
ist eine spiralförmige
Struktur der Strömungskanäle, welche
durch eine Wicklung der Folien erreicht werden kann. Ist zusätzlich ein
weiterer, von einer halbdurchlässigen
Membran umschlossener Strömungskanal
vorhanden, ergibt sich die zusätzliche
Möglichkeit
eines Stofftrans- Ports
zwischen Fluiden mit simultaner Beheizung oder Kühlung.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die
Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen
in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter
Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Wärmeübertragers
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 zeigt
eine mögliche
Oberflächenstruktur
von einzusetzenden Folien gemäß einer
weiteren Ausführungsform
eines Wärmeübertragers
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines Folien-Membran-Desorbers als eine weitere Ausführungsform
eines Wärmeübertragers
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 zeigt
in schematischer Darstellung einen Folienwärmetauscher mit spiralförmiger Struktur als
ei ne andere Ausführungsform
eines Wärmeübertragers
der vorliegenden Erfindung;
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5 zeigt
in schematischer Darstellung einen gewickelten Folienwärmetauscher
mit Zwischengitter als noch eine weitere Ausführungsform eines Wärmetauschers
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der Zeichnung
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Der
prinzipielle Aufbau eines Folienwärmetauschers bzw. eines Folienwärmeübertragers
ist in 1 dargestellt.
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Zwei
Fluide 1 und 2, zwischen denen ein Wärmeaustausch
bzw. eine Wärmeübertragung stattfindet,
sind durch dünne,
elastische Folien 3 getrennt.
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Besonders
geeignete Folienwerkstoffe sind die Kunststoffe Polyethylen (PE),
Polypropylen (PP), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyetheretherketon (peek).
Zusätzlich
können
auch Aluminium, Kupfer oder andere Metalle in die jeweiligen Folien
eingearbeitet sein. Ferner können
auch metallbedampfte Folien verwendet werden.
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Die
Wärmeleitfähigkeit
von Folienwerkstoffen kann auch durch Zusatz von nichtmetallischen Additiven
während
der Folienherstellung verbessert werden (z.B. Ruß, Keramik-, Mineralstäube).
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Die
mechanische Festigkeit der Folien kann zum Beispiel auch durch Fasern
in der Folie, beispielsweise Glas-, Kohle-, Metall-, Aramidfasern,
verbessert werden.
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Neben
diesen Anforderungen sind auch eine maximale Einsatztemperatur und
eine chemische Beständigkeit
Kriterien zur Auswahl eines Folienwerkstoffes. Hierzu kann es auch
vorteilhaft sein, die eingesetzten Folien aus mehreren Schichten
mit unterschiedlichen Materialien aufzubauen, wobei die jeweiligen
Oberflächenschichten
die chemische Beständigkeit
garantieren.
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Zwischen
die Folien können
zusätzliche
Einbauten 4 gelegt werden, beispielsweise extrudierte knotenlose
Gitternetze, wie sie z.B. von den Firmen NSW (www.nsw.de) und Tenax
(www.tenax-net.de) angeboten werden.
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Diese
Gitternetze erhöhen
die Turbulenz von Fluidströmungen
im Wärmeübertrager
und verbessern damit den Wärmeübergangskoeffizienten
des entsprechenden Fluids. Zudem dienen sie als engmaschiges Stützmaterial
für die
Folien, wodurch die resultierenden Kräfte auf die Folie aus Druckunterschieden
sehr klein werden. Des weiteren wird eine konstante Dicke des durch
die Folienbegrenzung gebildeten Strömungskanals gewährleistet
und somit eine gleichmäßige Durchströmung der
Vorrichtung.
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Vorteilhaft
ist insbesondere bei Polymermaterialien die Auswahl von gleichen
Werkstoffen für Folie
und Gitternetz, um eventuell notwendige weitere Abdichtungen zur
Bildung geschlossener Strömungskanäle zu vereinfachen.
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Mit
der Wahl unterschiedlicher Gitternetzdicken eignet sich der entsprechende
Wärmeübertrager
auch hervorragend zum Wärmeaustausch
bzw. zur Wärmeübertragung
zwischen Medien mit stark unterschiedlichen Volumenströmen.
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Selbstverständlich können auch
mehr als zwei Medien eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch bzw. zur Wärmeübertragung
durchströmen.
Dann ist lediglich die Anzahl von Zu- und Ab laufkanälen mit zugehörigem Strömungsgitternetz
und Trennfolien entsprechend zu erhöhen.
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Alternativ
zum Einsatz von Gitternetzen können
Folien mit einer Oberflächenstruktur
eingesetzt werden, welche die Oberfläche der Folie erhöht und die
ursprünglich
flache Ausführung
konventioneller Folien verändert.
Zum Beispiel können
die Folien bei der Herstellung plastisch so verformt werden, dass Noppen
als Auflagepunkte ausgebildet sind. Ferner sind auch diagonale Faltungen
der Folien möglich. Jede
andere Struktur, welche beim Aufeinanderlegen oder Wickeln der entsprechenden
Folien dazu führt, daß definierte
Strömungskanäle gebildet
werden, sind denkbar. Eine beispielhafte Oberflächenstruktur von Folien ist
in 2 dargestellt. Hierbei werden Folien 3a und 3b mit
versetzten Noppenreihen eingesetzt. Beim Übereinanderlegen 3a + 3b ergeben
sich definierte Strömungskanäle zwischen
den Folien.
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Eine
Erweiterung ist ein Einsatz des Wärmeübertragers zum Stofftransport
zwischen verschiedenen Phasen mit simultanem Wärmeaustausch bzw. mit simultaner
Wärmeübertragung.
Hierzu ist zusätzlich
ein von einer halbdurchlässigen
Membran 9 umschlossener weiterer Strömungskanal vorhanden, wodurch
sich die Möglichkeit
eines Stofftransports zwischen verschiedenen Phasen mit simultaner
Beheizung oder Kühlung
einer Phase ergibt.
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In 3 ist
beispielhaft ein Folien-Membran-Desorber dargestellt. In einem der
Strömungskanäle des Folienwärmetauschers
bzw. -übertragers aus 1 strömt nun ein
beladenes Fluid bzw. eine beladene Flüssigkeit 1, die durch
ein Heizmedium 2 beheizt wird. In den Kanal von Fluid 1 wird
zusätzlich ein
von einer gasdurchlässigen,
aber flüssigkeitsdichten
Membran 9 umschlossenes weiteres Strömungsgitter 10 eingebracht.
Dieser zusätzliche
Kanal benötigt naturgemäß keinen
Zulauf, als Austrittsmöglichkeit
für das
entstandene Gas wird der Kanal bei der Wicklung nicht, oder nur
an einem Rand abgedichtet, so dass das entstandene Gas aus der Vorrichtung
austreten kann.
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Anwendungen
für eine
solche Vorrichtung sind beispielsweise in
DE 10324300 zu finden.
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In 4 ist
ein Folienwärmetauscher
bzw. -übertrager
mit spiralförmiger
Struktur dargestellt. Man erhält
eine besonders hohe volumenspezifische Wärmeübertragungsleistung und einen
besonders geringen Druckverlust durch Minimierung von Strömungsumlenkungen
bei gleichzeitiger guter mechanischen Festigkeit. Zudem kann solch
ein Wärmeübertrager
durch eine einfache Wicklung von Folien 3, eventuell zusätzlich mit
Gitternetzen 4 um Zentralrohre 5 und 8 hergestellt
werden. Die Folien 3 und eventuell eingesetzte Gitternetze 4 sind
dann spiralförmig
angeordnet. Die Fluide strömen
vorzugsweise im Gegenstrom durch die Vorrichtung. Hierzu wird für Fluid 1 neben
dem zentralen Zulaufkanal 5 ein Ablaufkanal 6 am
Rand angebracht, und für
Fluid 2 entsprechend neben dem zentralen Ablaufkanal 7 ein Zulaufkanal 8 am
Rand. Zudem ist in 4 angedeutet, dass die Zu- und
Ablaufkanäle
eine beliebige Geometrie besitzen können. Für die Wicklung empfehlen sich
jedoch runde oder elliptische zentrale Kanäle. Durch die annähernd gleichmäßige Krümmung der
resultierenden Strömungskanäle werden
dann die Umlenkverluste der Strömung
im spiralförmigen Kanal
minimiert.
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Die
Kanäle
können
an den Rändern
durch geeignete Verklebungen oder Verschweißungen direkt während des
Wickelprozesses gegeneinander und gegen die Umwelt abgedichtet werden.
Es ist aber auch möglich,
die randseitige Abdichtung durch eine sogenannte Pottung, z.B. mit
Kunstharz, nach Abschluss des Wickelvorgangs durchzuführen. Eine Abdichtung
vor dem Wickelprozess ist für
ausreichend elastische Materialien auch möglich, allerdings erhält man dann
beim Wickeln relativ große Spannungen
in der außen
liegenden Schicht und Falten o.a. in der innen liegenden Schicht.
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Neben
der gewickelten Ausführung
sind natürlich
auch weitere geometrische Ausgestaltungen des Folienwärmetauschers
vorstellbar, wie z.B. eine Plattengeometrie mit Folien und Gittern.
Dabei müssen
jedoch eventuell zusätzlich
zur Aufnahme von Druckkräften
massive Bauteile eingesetzt werden.
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Ausführungsbeispiel
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Als
Ausführungsbeispiel
wird ein gewickelter Folienwärmetauscher
mit Zwischengitter jeweils aus dem Material PP gewählt, der
mit minimalem Werkzeugaufwand gefertigt werden kann. Ein Schnitt durch
die Vorrichtung ist in 5 dargestellt.
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Herstellung:
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Zentralkanäle 5 und 8 und
Randkanäle 6 und 7 sind
PP-Rohre (500 mm lang, 12 mm Innendurchmesser) mit zahlreichen Bohrungen
zum Ein- bzw. Austritt der Fluide. Um eines dieser Rohre wird eine Trennfolie
aus Polypropylen mit 6 m Länge,
400 mm Breite und 0,05 mm Dicke so gelegt, dass das jeweilige Rohr
auf einer Seite 100 mm übersteht
und die umgelegte Folie auf beiden Seiten gleichlang ist (ca. 2990
mm). Zwischen die Folie wird ein Strömungsgitter für Fluid 1 gelegt,
auf die Folie das Strömungsgitter
für Fluid 2 und
das zweite PP Rohr auf die Weise, dass es bündig am ersten Rohr liegt aber
auf der anderen Seite übersteht.
Beide Gitter haben die Breite der Folie und eine Länge von
ca. 1,5 m bei einer Dicke von 1 mm. Die Wärmeübertragungsfläche ergibt sich
dann zu ca. 1,2 m2.
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Nun
wird der Wärmeübertrager
aufgewickelt. Wenn ein Gitter zu Ende ist wird ein Rohr eingelegt und
dann weitergewickelt. Die äußersten
Bahnen sind lediglich Folienbahnen. Diese dienen zur Abdichtung
in radialer Richtung und zur mechanischen Stabilisierung durch mehrere
Lagen. Zur Verbesserung der Dichtheit können die Folien auch zusätzlich verschweißt werden.
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Abschließend wird
der Wärmeübertrager
mit Epoxidharz gepottet. Hierzu werden auf jeder Seite in axialer
Richtung zwei Endstücke
(Kappen) mit Durchbrüchen
für jeweils
zwei Rohre aufgesteckt. Die Durchbrüche werden abgedichtet, d.h.
z.B. verklebt und anschließend
werden die Kappen soweit mit Harz gefüllt, dass dieses ausreichend
weit in die Strömungskanale
läuft (ca.
1cm), um Dichtheit zu gewährleisten.
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Zusätzlich kann
der Wärmeübertrager
in ein Mantelrohr geschoben werden, welches zur Isolierung und Erhöhung der
mechanischen Stabilität
ausgeschäumt
wird.
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Leistungsfähigkeit:
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Versuche
mit Wasser (40/25°C
Eintrittstemperaturen) ergaben für
den beschriebenen Wärmeübertrager
bei Flüssigkeitsströmen von
ca. 200 l/h k-Werte > 1
kW bei Druckverlusten von 80 mbar. Somit steht ein sehr kostengünstiger
Wärmeübertrager aus
einem Massenkunststoff mit einer vergleichbaren Leistungsfähigkeit
wie ein parallel getesteter Edelstahlwärmetauscher für Anwendungen
unter 95°C Temperatur
zur Verfügung.
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Als
weiterer Vorteil neben den geringen Kosten kann die chemische Beständigkeit
(keine Korrosion), das geringe Ge wicht und die einfache Entsorgung
dieses Wärmeübertragers
angesehen werden.