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Die
Erfindung betrifft einen Plattenverdampfer, insbesondere für einen Kältemittelkreis,
wie er als Teil einer Klimaanlage verwendet wird, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
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Ein üblicher
Kältemittelkreis
weist einen Kompressor auf, der Kältemittel verdichtet, welches anschließend durch
einen Kondensator geleitet wird. Dort wird das Kältemittel entweder kondensiert
und im flüssigen
Zustand im Ejektor expandiert, oder das überkritische Gas wird nur abgekühlt und
im Ejektor entspannt, so daß das
Kältemittel
nach der Entspannung aus einem Gemisch von überwiegend flüssiger Phase
und überwiegend
gasförmiger
Phase besteht. Diese Phasen werden in einem Separator getrennt, wobei
der überwiegend
gasförmige
Anteil des Kältemittels über einen
Verdampfer wieder dem Kompressor zugeführt wird. Der überwiegend
flüssige
Anteil des Kältemittels
wird einem zweiten Verdampfer zugeführt und von dort in den Ejektor
gesaugt. Die im Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels benötigte Wärme kann
beispielsweise der Luft entzogen werden, die dann gekühlt in den
Fahrzeuginnenraum geleitet wird.
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Es
sind auch indirekte Kreisläufe
bekannt, bei denen der Verdampfer nicht von der zu kühlenden Luft
durchströmt
wird, sondern von einem Wärmeübertragungsmedium,
das die zum Verdampfen des Kältemittels
nötige
Energie der zu kühlenden
Luft in einem separaten Wärmetauscher
entzieht. Das Problem hierbei ist, daß aufgrund des zusätzlichen
Wärmeübergangs
vom Wärmeübertragungsmedium
zum Kältemittel
der Wirkungsgrad tendenziell geringer ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verdampfer für einen
indirekten Kältemittelkreis zu
schaffen, der sich durch einen guten Wirkungsgrad auszeichnet, der
mindestens so gut ist wie der Wirkungsgrad eines direkten Kältemittelkreises.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Plattenverdampfer
vorgesehen, insbesondere für
einen Kältemittelkreis,
mit einem Vorverdampfer, einem Niedertemperaturverdampfer und einem
Nachverdampfer für
Kältemittel,
die zu einer Baugruppe integriert sind, sowie einem Eingang und einem
Ausgang für
ein Wärmeübertragungsmedium. Dieser
Verdampfer beruht auf dem Grundgedanken, das Kältemittel nach der Expansion
in einem einzigen kompakten Verdampfer in drei Schritten zu verdampfen.
In einem ersten Schritt wird ein Teil des Kältemittels im Vorverdampfer
teilweise verdampft. Anschließend
wird der überwiegend
flüssige
Anteil des Kältemittels
im Niedertemperaturverdampfer verdampft. Der überwiegend gasförmige Anteil
des Kältemittels wird
durch den Nachverdampfer geleitet, so daß sich das Kältemittel
anschließend
in einem vollständig gasförmigen Zustand
befindet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist in den Plattenverdampfer ein Ejektor integriert.
Auf diese Weise wird ein separates Bauteil eingespart, das ansonsten
separat angeschlossen werden müßte.
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Der
Ejektor ist vorzugsweise oberhalb des Niedertemperaturverdampfers
angeordnet und weist einen Sauganschluß auf, der unmittelbar mit
dem Niedertemperaturverdampfer verbunden ist. Die Integration des
Ejektors an dieser Stelle führt
zu kurzen Strömungswegen,
einem geringen Druckverlust und einer kompakten Bauform.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist in den Plattenverdampfer ein Separator integriert,
der einen Flüssigphasenausgang
und einen Gasphasenausgang aufweist. Dabei ist an den Flüssigphasenausgang
der Niedertemperaturverdampfer und an den Gasphasenausgang der Nachverdampfer
angeschlossen. Die Verdampfungsarbeit ist also auf drei spezifische
Verdampfer aufgeteilt, für
die jeder Verdampfer speziell ausgelegt werden kann. Dies gewährleistet
einen hohen Wirkungsgrad.
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Vorzugsweise
ist der Separator unterhalb des Vorverdampfers angeordnet. Dies
ergibt kurze Strömungswege,
da das Kältemittel
von dort unmittelbar zum Niedertemperaturverdampfer und zum Nachverdampfer
geleitet werden kann.
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Vorzugsweise
endet der Plattenblock des Vorverdampfers in einem Abstand von 15
bis 50 mm oberhalb des Bodens des Separators. Auf diese Weise kann
mit geringem Aufwand innerhalb des Plattenverdampfers der Raum für die Trennung
zwischen der überwiegend
gasförmigen
und der überwiegend flüssigen Phase
des Kältemittels
geschaffen werden.
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Ein
besonders hoher Wirkungsgrad läßt sich erzielen,
wenn die Verdampfer Gegenstrom-Verdampfer sind. Auf diese Weise
läßt sich
für jeden
der verschiedenen Verdichtungsschritte die optimale Temperaturdifferenz
zwischen dem Wärmeübertragungsmedium
und dem Kältemittel
nutzen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform
beschrieben, die in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
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1 schematisch
einen erfindungsgemäßen Kältemittelkreis
mit einem erfindungsgemäßen Verdampfer;
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2 schematisch
einen Schnitt durch den Verdampfer;
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3 schematisch
einen Schnitt entlang der Ebene III-III von 2;
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4 schematisch
einen Schnitt entlang der Ebene IV-IV von 2;
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5 schematisch
einen Schnitt entlang der Ebene V-V von 2;
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6 schematisch
einen Schnitt entlang der Ebene VI-VI von 2;
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7 schematisch
den Strömungsweg
des Wärmeübertragungsmediums;
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8 schematisch
eine Details des Separators;
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9 in
einer perspektivischen Ansicht ein im Separator verwendetes Schwallblech;
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10 in
vergrößertem Maßstab den
mit dem Ejektor versehenen Bereich des Verdampfers von 2;
und
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11 einen
Schnitt entlang der Ebene XI-XI
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In 1 ist
ein Kältemittelkreis 5 gezeigt,
der einen elektrisch angetriebenen Kompressor 10, einen
Kondensator bzw. Gaskühler 12 und
einen Verdampfer 14 aufweist. Der Kondensator bzw. Gaskühler 12 ist
mit einem internen Wärmetauscher 13 versehen,
mittels dem Wärme
vom Kältemittel
auf der Hochdruckseite zur Niederdruckseite übertragen werden kann.
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Der
Verdampfer 14 weist einen Ejektor 16 auf, mittels
dem das im Kältemittelkreis
zirkulierende Kältemittel
expandiert werden kann. Auf der Niederdruckseite schließt sich
an den Ejektor 16 ein Vorverdampfer 18 an, dessen
Ausgang mit einem Separator 20 verbunden ist. Der Separator
weist einen Gasphasenausgang 22 auf, der mit einem Nachverdampfer 24 verbunden
ist. Der Ausgang des Nachverdampfers 24 führt über den
internen Wärmetauscher 13 zur
Saugseite des Kompressors 10. Der Separator 20 ist
weiterhin mit einem Flüssigphasenausgang 26 versehen,
an den ein Niedertemperaturverdampfer 28 angeschlossen
ist. Der Ausgang des Niedertemperaturverdampfers 28 ist
an einen Sauganschluß 30 des
Ejektors 16 angeschlossen. Der Separator 20 ist außerdem mit
einer Ölrückführung 32 versehen.
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Jeder
der Verdampferbereiche 18, 24, 28 des
Verdampfers 14 ist an einen Wärmetauscherkreis 34 angeschlossen,
der einen Wärmetauscher 36 und
eine Pumpe 38 aufweist. Als Wärmeübertragungsmedium im Wärmetauscherkreis 34 kann
Wasser und/oder Glykol verwendet werden. Der Wärmetauscher 36 ist
dabei vorzugsweise als Kreuzgegenstrom-Wärmetauscher ausgeführt und
ist Teil einer Klimaanlage. Das Wärmeübertragungsmedium wird vom
Wärmetauscher 36 zuerst
durch den Nachverdampfer 24, dann durch den Vorverdampfer 18 und anschließend durch
den Niedertemperaturverdampfer 28 geführt, bevor es zum Wärmetauscher 36 zurückkehrt.
Alle Verdampferbereiche sind dabei als Gegenstrom-Verdampfer ausgeführt.
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Im
Betrieb des Kältemittelkreises
wird das vom Kompressor 10 komprimierte und sich am Ausgang
des Kondensators 12 im flüssigen oder überkritischen
Zustand befindende Kältemittel
durch den Ejektor 16 geführt, in welchem es expandiert.
Anschließend
durchströmt
es den Vorverdampfer 18, in welchem etwa ein Drittel des
Kältemassenstroms verdampft
wird. Das Gemisch aus flüssigem
und gasförmigem
Kältemittel
wird anschließend
im Separator 20 in einen im wesentlichen gasförmigen Anteil
und einen im wesentlichen flüssigen
Anteil getrennt. Der im wesentlichen flüssige Anteil strömt über eine Drossel
zum Niedertemperaturverdampfer 28, in welchem es (zu großen Teilen)
verdampft wird. Anschließend
wird das Kältemittel
vom Sauganschluß 30 des Ejektors 16 angesaugt
und wieder dem Vorverdampfer 18 zugeführt. Der im wesentlichen gasförmige Anteil
des Kältemittels
gelangt vom Separator 20 in den Nachverdampfer 24,
in welchem die noch verbliebenen flüssigen Anteile verdampft werden.
Außerdem wird
das dampfförmige
Kältemittel überhitzt.
Es gelangt dann über
den internen Wärmetauscher 13 zur Saugseite
des Kompressors 10.
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Die
zum Verdampfen des Kältemittels
notwendige Wärmemenge
wird über
den Wärmetauscherkreis 34 zugeführt. Das
Wärmeübertragungsmedium,
das sich nach Durchströmen
des Wärmetauschers 36 auf
einem hohen Temperaturniveau befindet, durchströmt zuerst den Nachverdampfer 24. Nach
Durchströmen
des Nachverdampfers 24 befindet sich das Wärmeübertragungsmedium
auf einem mittleren Temperaturniveau und strömt durch den Vorverdampfer 18.
Nach Verlassen des Vorverdampfers 18 befindet sich das
Wärmeübertragungsmedium
auf einem niedrigen Temperaturniveau und wird durch den Niedertemperaturverdampfer 28 geleitet. Von
dort gelangt es zum Wärmetauscher 36,
wo es der zu kühlenden
Luft Wärme
entzieht.
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Nachfolgend
wird anhand der 2 bis 9 der Verdampfer 14 im
Detail beschrieben.
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Der
Verdampfer 14 ist als kompakter Plattenverdampfer ausgeführt, der
durch einen Aneinanderreihung von geeignet geformten Blechen gebildet
ist. Im oberen Bereich unmittelbar nach dem Kältemitteleingang des Verdampfers 14 ist
ein Ejektor 16 vorgesehen. Anschließend an den Ejektor 16 strömt das Kältemittel
durch den Vorverdampfer 18, der hier mittig angeordnet
ist. Durch den Vorverdampfer 18 strömt das Kältemittel in vertikaler Richtung
von oben nach unten, wo es in den Separator 20 eintritt.
Der Separator ist dadurch gebildet, daß das Plattenpaket des Vorverdampfers 18 in
einem Abstand x oberhalb des Bodens des Verdampfers 14 endet,
wobei der Abstand x in der Größenordnung
von 15 bis 50 mm beträgt.
Im Separator 20 trennt sich unter Schwerkrafteinfluß der überwiegend
flüssige
Anteil des Kältemittels
vom überwiegend
gasförmigen
Anteil. In 3 ist beispielhaft das Niveau
des überwiegend flüssigen Anteils
des Kältemittels
eingezeichnet.
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Durch
den Separator 20 erstreckt sich der Flüssigphasenausgang 26,
der über
eine Drossel zum Eingang des Niedertemperaturverdampfers 28 führt. Durch
diesen strömt
das Kältemittel
in vertikaler Richtung nach oben, wo es zum Sauganschluß 30 des
Ejektors 16 gelangt. Durch den Separator 20 erstreckt
sich weiterhin der Gasphasenausgang 22, über den
es zum Nachverdampfer 24 gelangt, den es in vertikaler
Richtung nach oben zum Ausgang des Verdampfers hin durchströmt.
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Durch
Vergleich der in 2 eingezeichneten Strömungsrichtungen
für das
Kältemittel
mit den in 7 eingezeichneten Strömungsrichtungen
für das
Wärmeübertragungsmedium
ist zu sehen, daß sämtliche
Verdampferbereiche 18, 24, 28 des Verdampfers 14 im
Gegenstromverfahren arbeiten. Auf diese Weise ist gewährleistet,
daß eine
im weitesten Sinne gleichmäßige Temperaturdifferenz
zwischen dem Wärmeübertragungsmedium
und dem Kältemittel
vorliegt, also warmes Kältemittel
und warmes Wärmeübertragungsmedium
durch denselben Verdampferbereich strömen, also durch den Nachverdampfer 24,
in welchem das Kältemittel überhitzt wird,
und kaltes Kältemittel
und kaltes Wärmeübertragungsmedium
durch denselben Verdampferbereich strömen, nämlich den Niedertemperaturverdampfer 28.
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Die
Sammler des Vorverdampfers 18, des Niedertemperaturverdampfers 28 und
des Nachverdampfers 24 sind gebildet durch eine Aneinanderreihung
von oberen Abschnitten von einzelnen Platten. Außerdem bilden die Sammler des
Vorverdampfers 18, des Niedertemperaturverdampfers 28 und
des Nachverdampfers 24 einen Sammler 50 des Verdampfers 14.
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Anhand
der 4 und 5 wird nachfolgend der grundsätzliche
Aufbau der im Verdampfer 14 verwendeten Verdampferbereiche
erläutert.
In 4 ist ein Schnitt zwischen zwei Platten gezeigt, zwischen
denen das Kältemittel
in vertikaler Richtung nach oben strömt. In 5 ist ein
Schnitt zwischen zwei Platten gezeigt, zwischen denen das Wärmeübertragungsmedium
in vertikaler Richtung nach unten strömt. Die entsprechenden Platten,
die das Wärmeübertragungsmedium
vom Kältemittel
trennen, erstrecken sich parallel zur Schnitt- und zur Zeichenebene
durch den gesamten Innenraum des Verdampfers, also auch bis oberhalb
und unterhalb von hier schematisch angedeuteten Zickzack-Blechen 60,
die zwischen den Platten angeordnet sind und zur Versteifung dienen.
Die das Wärmeübertragungsmedium
leitenden Kanäle
und die das Kältemittel
leitenden Kanäle
sind abwechselnd zu jeder zweiten Kammer hin geöffnet. Die Zickzack-Bleche 60 enden knapp
oberhalb bzw. unterhalb der Kanäle
für das Wärmeübertragungsmedium
und das Kältemittel,
so daß ober-
bzw. unterhalb der Zickzack-Bleche 60 ein kleiner Verteilraum 62 gebildet
ist.
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Anhand
der 4 und 6 ist zu sehen, daß das Flüssigphasenrohr 26 tiefer
angeordnet ist als das Gasphasenrohr 22. Die Einlaßöffnungen
für Kältemittel
im Flüssigphasenrohr 26 des
Niedertemperaturverdampfers 28 befinden sich am Boden des Flüssigphasenrohres
in der tiefstmöglichen
Position. Die Einlaßöffnungen
im Gasphasenrohr 22 des Nachverdampfers 24 befinden
sich dagegen an der Oberseite.
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Es
ist eine Überströmöffnung 90 für Öl vorgesehen,
das über
einen Überströmkanal 92 zum
Ausgang des Nachverdampfers 24 geführt wird. Der Überströmkanal 92 ist
als Nut im Seitenblech 94 des Verdampfers 14 ausgeführt, das
zur Stabilisierung der letzten Wärmetauscherplatte
des Nachverdampfers 24 aufgelötet ist. Die Überströmöffnung 90,
die den Bypass-Massenstrom definiert, ist in die letzte Wärmetauscherplatte
gestanzt und im am Boden des Flüssigphasenrohres 26 angeordnet.
Die Größe der Überströmöffnung ist
an den Druckabfall der Platten des Nachverdampfers 24 so
angepaßt,
daß eine
Bypass-Massenastrom
von Öl/Flüssigkeit
in der Größenordnung
von 0,5 bis 5% des Gesamtmassenstroms erreicht wird.
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Im
Bereich des Separators 20 sind unterhalb des Plattenpakets
des Vorverdampfers 18 Schwallbleche 70 angeordnet,
die Zickzack-gefaltet sind und Öffnungen
aufweisen, beispielsweise nach Art von Kiemen 72 oder Löchern 74.
Die Schwallbleche 70 bestehen vorzugsweise aus Aluminiumblech,
welches auf beiden Seiten mit einem Lotmaterial beschichtet ist.
Auf diese Weise können
die Schwallbleche zusammen mit den Platten zu einer Einheit verlötet werden.
Mit dieser Einheit zusammen können auch
die sonstigen Komponenten des Verdampfers ausgeführt werden, insbesondere der
Ejektor 16.
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Da
der Eingang zum Nachverdampfer 24 höher angeordnet ist als der
Eingang zum Niedertemperaturverdampfer 28, wird dem Nachverdampfer 24 mehr überwiegend
gasförmiges
Kältemittel
zugeführt als
dem Niedertemperaturverdampfer 28. Daher ist der Massenstrom
im Niedertemperaturverdampfer 28 bei einer gegebenen Leistung
auf ein Minimum reduziert, so daß die Druckdifferenz zwischen
dem Sauganschluß 30 des
Ejektors 16 und dem Ausgang des Ejektors am Punkt E maximal
ist (beste Ejektoreffizienz).
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Bei
dem beschriebenen Verdampfer wird auch der Separator 20 zum
Wärmeaustausch
mit dem Wärmeübertragungsmedium
genutzt, da eine Wärmeübertragung über die
Schwallbleche 70 und die an ihnen anliegenden Platten zum
benachbarten Strömungsweg
des Wärmeübertragungsmediums gegeben
ist.
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In
den 10 und 11 ist
der Ejektor in Detail dargestellt. Er weist als wesentliche Bestandteile
ein Düsenrohr 80 und
einen Diffusor 82 auf. Das Düsenrohr ist an seinem im Verdampfer
angeordneten Ende mit einer Verengung versehen, die durch Rollen,
Ziehen, etc. gebildet sein kann. An seinem außenliegenden Ende ist das Düsenrohr
mit einer Aufweitung versehen, die an einer Flanschplatte 84 befestigt
ist, beispielsweise angelötet.
Die Flanschplatte ist am Eingang des Verdampfers dicht angebracht.
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Der
Diffusor 82 besteht aus Kunststoff und ist im Eingangsrohr
des Verdampfers mittels einer Dichtung 86 befestigt. Er
weist an seinem Eingang eine Aufweitung 86 auf, die mit
einem Radius ausgeführt ist,
so daß Turbulenzen
beim Eintritt des vom Niedertemperaturverdampfers nachgesaugten
Kältemittels verhindert
werden.
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Um
den Diffusor 82 herum sind mehrere Verstärkungsstege 90 angeordnet,
die einstückig
ausgebildet sind. Sie dienen zum einen der Verstärkung und zum anderen zur Positionierung
des Diffusors im Inneren des Verdampfers, so daß er präzise auf das Düsenrohr 80 zentriert
ist. Die Verstärkungsstege können auch
in axialer Richtung verlängert
ausgeführt
werden (siehe den beispielhaft gezeigten Verstärkungssteg 91), so
daß sie
ein Auflager 92 für
das Düsenrohr 80 bereitstellen.
Dies führt
zu einer noch präziseren
Positionierung von Düsenrohr
und Diffusor relativ zueinander.
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Durch
die Verwendung von Kunststoff für den
Diffusor und Metall für
das Düsenrohr
wird eine anforderungsgerechte, kostengünstige Konstruktion geschaffen.
Das Düsenrohr
hält den
hohen Drücken auf
der Hochdruckseite des Kältekreises
stand. Der Diffusor muß nur
sehr viel geringeren Drücken (Druckdifferenz
in der Größenordnung
von 1 bis 8 bar) standhalten und kann daher aus einem leichteren
und kostengünstig
zu verarbeitenden Material hergestellt werden.
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In 10 sind
auch die abwechselnd angeordneten Ausgangsöffnungen 28A des Niedertemperaturverdampfers 28 zu
sehen. Die jeweils dazwischenliegenden Kammern des Plattenverdampfers sind
mit dem Wärmeübertragungsmedium
gefüllt.