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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühl- und/oder Gefriergerät mit wenigstens einem Kompartiment und mit wenigstens einem Kältemittelkreislauf, wobei der Kältemittelkreislauf wenigstens einen Wärmeübertrager in Form zumindest eines Verdampfers aufweist, wobei in dem Verdampfer im Betrieb des Gerätes Kältemittel verdampft, wobei der Verdampfer derart angeordnet ist, dass er den Innenraum des Kompartimentes kühlt und wobei der Wärmeübertrager wenigstens eine Kanalstruktur mit einer Mehrzahl von Kanälen aufweist, die im Betrieb des Gerätes von Kältemittel durchströmt werden.
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Derartige Kühl- und/oder Gefriergeräte sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden im Haushalts- oder im Gewerbebereich eingesetzt und weisen Verdampfer auf, die die Aufgabe haben, Wärme aus dem Kompartiment, das zur Aufnahme von Kühl- und/oder Gefriergut dient, abzuführen. Bei der Wärmeaufnahme erfolgt eine teilweise oder vollständige Verdampfung des in dem Verdampfer befindlichen Kältemittels. Die Geräte weisen des weiteren üblicherweise wenigstens einen Verflüssiger auf, der die Aufgabe hat, Wärme aus dem Kältemittel abzuführen, wobei das Kältemittel verflüssigt wird.
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Als Verdampfer werden häufig Rollbond- oder Z-Bond-Verdampfer eingesetzt. Bei der Auslegung dieser Verdampfer besteht die Zielsetzung darin, eine möglichst hohe Effizienz dahingehend zu erreichen, dass ein optimaler Wärmeübergang erzielt wird und dass die Druckverluste, die bei der Durchströmung des Verdampfers mit Kältemittel entstehen, minimal sind.
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Bei der Durchströmung eines Verdampfers eines Kühl- und/oder Gefriergerätes liegt ein konstanter Massenstrom vor, der Volumenstrom ist dagegen veränderlich. Im Falle des Verdampfers steigt während der Durchströmung des Verdampfers der Volumenstrom sukzessive, da das Kältemittel bei der Aufnahme von Wärme verdampft.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühl- und/oder Gefriergerät der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass der Wärmeübertrager bei niedrigen Druckverlusten gute Wärmübergangswerte aufweist und somit effizient arbeitet.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kühl- und/oder Gefriergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist vorgesehen, dass die Kanalstruktur derart ausgebildet ist, dass mehrere aufeinander folgende Verzweigungen vorgesehen sind, bei denen jeweils ein Kanal oder ein Teilkanal in mehrere Teilkanäle aufgeteilt wird. Der Begriff „Teilkanal” ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung dahingehend zu verstehen, dass dieser Kanal aus einer Verzweigung eines stromaufwärts angeordneten Kanals entstanden ist, das heißt an der Verzweigungsstelle beginnt. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zwischen der Einlassstelle bzw. zwischen der Einspritzstelle eines Verdampfers und der Auslassstelle aus dem Verdampfer das Kältemittel an Verzweigungen mehrfach auf mehrere Teilkanäle, bevorzugt auf jeweils zwei bis fünf Teilkanäle aufgeteilt wird. Dabei erfolgt die Aufteilung vorteilhaft mit bezüglich der Strömung optimierten Verzweigungen.
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Unter den Begriff der „mehreren aufeinanderfolgenden Verzweigungen” ist zu verstehen, dass ein Teilkanal, der an einer Verzweigungsstelle eines Kanals oder eines Teilkanals beginnt im weiteren Strömungsverlauf erneut in zwei oder mehr Teilkanäle unterteilt wird. Dies bedeutet, dass das Kältemittel bei seiner Durchströmung des Wärmeübertragers bzw. der Kanalstruktur zumindest zwei Verzweigungen durchströmt.
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Des weiteren ist darauf hinzuweisen, dass diese erfindungsgemäße Ausgestaltung die gesamte Kanalstruktur des Wärmeübertragers betreffen kann oder nur einen Teilbereich der Kanalstruktur.
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Entsprechendes gilt für die unten näher beschriebenen Zusammenführungsstellen, an denen eine bestimmte Anzahl von Kanälen oder Teilkanälen zu einem oder zu mehreren Teilkanälen oder Kanälen zusammengeführt wird.
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Durch die Aufteilung auf mehrere kleinere Kanäle steigt die wärmeübertragende Oberfläche, was im Falle eines Verdampfers zur Folge hat, dass die Wärmeaufnahme durch das Kältemittel verbessert wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kanalstruktur eine oder mehrere, vorzugsweise mehrere aufeinander folgende Zusammenführungsstellen aufweist, an denen mehrere Kanäle oder Teilkanäle zu wenigstens einem Kanal zusammengeführt werden. Zusätzlich zu den genannten Verzweigungen ist es somit vorzugsweise vorgesehen, dass umgekehrt zur Aufteilung des Kältemittels eine oder mehrere Zusammenführungsstellen vorliegen, bei denen wenigstens zwei, vorzugsweise zwei bis fünf Teilkanäle oder Kanäle zu einem oder auch mehr als einem Kanal zusammengeführt werden. An diesen Zusammenführungsstellen findet somit gleichermaßen eine „Bündelung” von Kanälen oder Teilkanälen statt. Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass an einer Zusammenführungsstelle eine erste Anzahl von Kanälen bzw. Teilkanälen zu einer zweiten Anzahl von Kanälen bzw. Teilkanälen zusammengeführt sind, wobei die zweite Anzahl kleiner ist als die erste Anzahl.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Kanal oder zumindest ein Teilkanal derart in Teilkanäle verzweigt ist, dass der Gesamtquerschnitt der Teilkanäle nach der Verzweigungsstelle größer ist als der Querschnitt des Kanals oder des Teilkanals vor der Verzweigungsstelle. In diesem Fall ist somit bei der Aufteilung des Kanals auf mehrere kleinere Kanäle der Gesamtquerschnitt vergrößert, um die an den Grenz- bzw. Oberflächen auftretende Reibung zu kompensieren.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kanalstruktur derart ausgebildet ist, dass eine oder mehrere Zusammenführungsstellen vorgesehen sind, bei denen zwei bis fünf Kanäle oder Teilkanäle zu einem Kanal oder auch zu mehreren Kanälen vereint werden.
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Im Falle von Zusammenführungen mehrerer Kanäle oder Teilkanäle ist es denkbar, dass der Gesamtquerschnitt der Kanäle oder Teilkanäle vor der Zusammenführungsstelle größer ist als der Gesamtquerschnitt des wenigstens einen Kanals nach der Zusammenführungsstelle.
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Bei der Zusammenführung mehrerer, kleinerer Kanäle oder Teilkanäle in einen größeren Kanal oder Teilkanal wird der Querschnitt insgesamt somit vorzugsweise verkleinert, da die Reibungsverluste an Grenz- bzw. Oberflächen abnehmen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kanalstruktur derart ausgebildet ist, dass eine oder mehrere Verzweigungen vorgesehen sind, bei denen ein Kanal oder ein Teilkanal in mehrere Teilkanäle aufgeteilt wird, wobei die Verzweigung derart ausgebildet ist, dass der Kältemittelstrom gleichmäßig auf die an der Verzweigung beginnenden Teilkanäle aufgeteilt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Verzweigung derart ausgebildet ist, dass der Massenstrom und/oder der Volumenstrom des Kältemittelstroms in allen an einer Verzweigung beginnenden Teilkanälen identisch ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kanalstruktur derart ausgebildet ist, dass eine oder mehrere Verzweigungen vorgesehen sind, bei denen ein Kanal oder ein Teilkanal in mehrere Teilkanäle aufgeteilt wird, wobei die Verzweigung derart ausgebildet ist, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittelstroms in den an der Verzweigung beginnenden Teilkanälen identisch ist.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Kanalstruktur derart ausgebildet ist, dass eine oder mehrere Verzweigungen vorgesehen sind, bei denen ein Kanal oder ein Teilkanal in mehrere Teilkanäle aufgeteilt wird, wobei die Verzweigung derart ausgebildet ist, dass der Druckverlust pro Längeneinheit des Kanals oder Teilkanals vor und nach der Verzweigung identisch ist.
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Durch entsprechende Auslegung der Querschnittsflächen der Form des Kanalquerschnitts wird vorzugsweise an der oder den Verzweigungen eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit und Aufteilung des Kältemittelstroms erzielt.
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Wie ausgeführt, ist es bevorzugt, wenn der Druckverlust pro durchströmter Längeneinheit direkt vor und direkt nach der Verzweigung gleich ist. Um diese Auslegung vorzunehmen, kann das Gesetz von Hagen-Poiseuille Verwendung finden, das eine Korellation aus verschiedenen Parametern des Kanals bzw. des Teilkanals und dem Druckverlust pro Längeneinheit herstellt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Kanalstruktur derart ausgebildet, dass sie wenigstens eine Einlassstelle und wenigstens eine Auslassstelle aufweist und dass eine oder mehrere Verzweigungen vorgesehen sind, bei denen ein Kanal oder ein Teilkanal in mehrere Teilkanäle aufgeteilt wird, wobei die Verzweigung derart ausgebildet ist, dass die Gesamtquerschnittsfläche der Kanalstruktur von der Einlassstelle bis zur Auslassstelle stufenweise oder linear zunimmt oder abnimmt. Dieser Ausführungsform liegt der Gedanke zugrunde, dass eine lineare Zunahme des Volumenstroms über den Weg vom Einspritzpunkt eines Verdampfers bis zum Verdampferaustritt angenommen wird. Vorzugsweise werden die Kanalquerschnitte für jeden Punkt nun so gewählt, dass der gesamte Druckverlust pro durchströmter Längeneinheit des auf viele Kanäle verteilten Kältemittels in der Summe konstant bleibt. Die Kanalquerschnitte können beispielsweise mit Hilfe einer CFD-Simulation (computational fluid dynamics) ausgelegt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kanalstruktur derart ausgebildet ist, dass eine oder mehrere Verzweigungen vorgesehen sind, bei denen ein Kanal oder ein Teilkanal in mehrere Teilkanäle aufgeteilt wird, wobei die Verzweigung derart ausgebildet ist, dass der Druckverlust pro durchströmter Längeneinheit über den gesamten Strömungsweg des Kältemittels durch die Kanalstruktur konstant ist.
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Denkbar ist es weiterhin, dass die Kanalstruktur wenigstens eine Einlassstelle und wenigstens eine Auslassstelle aufweist und dass die Kanalstruktur derart ausgebildet ist, dass eine oder mehrere Verzweigungen vorgesehen sind, bei denen ein Kanal oder ein Teilkanal in mehrere Teilkanäle aufgeteilt wird, und dass eine oder mehrere Zusammenführungsstellen vorgesehen sind, bei denen wenigstens zwei Kanäle oder Teilkanäle, vorzugsweise zwei bis fünf Kanäle oder Teilkanäle, zu wenigstens einem Kanal vereint werden.
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Denkbar ist es, dass eine solche Kanalstruktur nun so ausgebildet ist, dass die eine oder mehreren Verzweigungen relativ zu der einen oder den mehreren Zusammenführungsstellen symmetrisch oder auch unsymmetrisch angeordnet ist.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass es sich bei der Kanalstruktur vollständig oder bereichsweise um eine fraktale Kanalstruktur handelt.
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Bei der Berechnung der Position und Form der Verzweigungen und Kanäle können somit Verfahren zur Berechnung von Fraktalen verwendet werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird die Kanalstruktur nach einem bekannten Verfahren bestimmt. Ein solches Verfahren ist aus der
WO 2004/097323 A1 bekannt, auf die insoweit Bezug genommen wird und die insoweit zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird. Das aus der
WO 2004/097323 A1 bekannte Verfahren setzt sich aus den folgenden Schritten zusammen:
Vorsehen einer vorgegebenen Übertragungsfläche oder eines vorgegebenes Übertragungsvolumen mit einem mehrfach verzweigten Hydrauliknetzwerk; Festlegen eines Kältemitteleintrittspunktes und eines Kältemittelaustrittspunktes; Legen eines ersten Pfades zwischen Kältemitteleintritts- und Kältemittelaustrittspunkt mit annähernd gleichem Abstand zu seitlichen Begrenzungen der Übertragungsfläche oder des Übertragungsvolumens; Festlegen von ersten Verzweigungsstartpunkten und -endpunkten an Stellen des ersten Kanals, an denen ein vorgebbarer Höchstabstand zu den seitlichen Begrenzungen überschritten bzw. ein vorgebbarer Mindestabstand unterschritten wird, in einem ersten Iterationsschritt; Verbinden der ersten Verzweigungsstartpunkte und -endpunkte durch Legen jeweils zumindest zweier zweiter Kanäle mit annähernd gleichem Abstand zu nächstliegenden seitlichen Begrenzungen der Übertragungsfläche oder des Übertragungsvolumens und dem ersten Kanal; Festlegen von weiteren Verzweigungsstartpunkten und -endpunkten an Stellen der jeweils unmittelbar vorangehend gelegten Kanäle, an denen ein vorgebbarer Höchstabstand zu nächstliegenden seitlichen Begrenzungen der Übertragungsfläche oder des Übertragungsvolumens überschritten bzw. ein vorgebbarer Mindestabstand unterschritten wird, in einem weiteren Iterationsschritt; Verbinden der weiteren Verzweigungsstartpunkte und -endpunkte durch Legen jeweils zumindest zweier weiterer Kanäle mit annähernd gleichem Abstand zu nächstliegenden seitlichen Begrenzungen der Übertragungsfläche oder des Übertragungsvolumens und einem nächstliegenden der bisher gelegten Kanäle; und – Wiederholung des weiteren Iterationsschrittes, bis eine vorgebbare Anzahl von Iterationsschritten oder ein vorgebbarer Mindestabstand der als Letztes gelegten Kanäle zu den nächstliegenden Begrenzungen der Übertragungsfläche oder des Übertragungsvolumens erreicht ist; wobei nach Beendigung der Iterationsschritte die jeweils im letzten Iterationsschritt gelegten Kanäle sowie deren Verbindung mit dem Kältemitteleintritts- und Kältemittelaustrittspunkt über Teile der bisher gelegten Kanäle die Struktur des Hydrauliknetzwerkes festlegen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühl- und/oder Gefriergerät mit einem Roll-Bond- oder Z-Bond-Verdampfer. Dieser Verdampfer ist so ausgelegt, dass eine möglichst hohe Effizienz erreicht wird. Dies bedeutet, dass bei einem optimalen Wärmeübergang die Druckverluste, die bei der Durchströmung des Verdampfers auftreten minimal sind.
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Im Falle eines Kühl- und/oder Gefriergerätes liegt bei der Durchströmung des Verflüssigers sowie auch des Verdampfers ein konstanter Massenstrom vor, wohingegen sich der Volumenstrom verändert. Dieser nimmt im Falle eines Verdampfers mit dem Strömungsweg zu.
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Bei der Auslegung der Kanalquerschnitte muss diese Volumenänderung berücksichtigt werden.
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Für einen Verdampfer wird bei der Auslegung ein Massenstrom eines Kältemittels definiert, der notwendig ist, um die gewünschte Kälteleistung zu erzielen. Aus diesem Massenstrom wird der Volumenstrom des eingespritzten flüssigen Kältemittels bestimmt.
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Zunächst werden die Kanalquerschnitte im Einspritzbereich an den Volumenstrom des zunächst großteils flüssigen Kältemittels angepaßt.
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Während der Durchströmung des Verdampfers verdampft das flüssige Kältemittel vollständig oder fast vollständig. Der Volumenstrom des gasförmigen Kältemittels kann ermittelt werden und wird bei der Auslegung der Querschnitte am Verdampferausgang berücksichtigt.
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Vorzugsweise ist der Verdampfer nun so ausgelegt, dass das Kältemittel ausgehend von einer Einspritzstelle an mehreren Verzweigungen, die in Strömungsrichtung aufeinander folgen mehrfach auf mehrere Teilkanäle, bevorzugt auf insgesamt zwei bis fünf oder jeweils pro Verzweigungsstelle zwei bis fünf Teilkanäle aufgeteilt wird. Die Aufteilung erfolgt vorteilhaft mit bezüglich der Strömung optimierten Verzweigungen. Wie ausgeführt, steigt durch die Aufteilung auf mehrere Teilkanäle die wärmeübertragende Oberfläche, was im Falle eines Verdampfers zur Folge hat, dass die Wärmeaufnahme verbessert und die Kühlung des Kompartimentes ebenfalls verbessert wird.
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Die Aufteilung des einen Kanals auf mehrere kleinere Kanäle bzw. eines Teilkanals auf mehrere weitere Teilkanäle wird vorzugsweise so ausgeführt, dass der Gesamtquerschnitt vergrößert wird, um die Reibung zu kompensieren.
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Im weiteren Verlauf weist der Verdampfer eine Struktur auf, bei der die mehreren Kanäle wieder zu einer geringeren Anzahl von Kanälen zusammengeführt werden. Hierzu werden Zusammenführungsstellen vorgesehen, bei denen eine erste Anzahl von Kanälen oder Teilkanälen zu einer zweiten Anzahl von Kanälen oder Teilkanälen zusammengeführt werden, wobei die zweite Anzahl geringer ist als die erste Anzahl.
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Bei der Zusammenführung mehrerer kleinerer Kanäle in einen größeren, wird der Querschnitt verkleinert, da die Reibungsverluste an Grenz- bzw. Oberflächen abnehmen.
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Hinsichtlich der Position und Form der Verzweigungen kann auf ein Verfahren zurückgegriffen werden, wie es bei der Berechnung von Fraktalen verwendet wird.
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Exemplarisch wird auf die
WO 2004/097323 A1 verwiesen.
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Bevorzugt ist es, wenn die Querschnittsfläche und die Form der Kanäle so ausgeführt ist, dass an den Verzweigungen eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit und Aufteilung des Kältemittels erzielt wird. Besonders effizient und vorteilhaft ist es, wenn der Druckverlust pro durchströmter Längeneinheit direkt vor und direkt nach der Verzweigung identisch ist. In einer vereinfachten Ausführung erfolgt die Zunahme der Kanalquerschnitte von der Einspritzstelle zum Verdampferausgang linear.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Steigerung des Volumenstroms über den Weg vom Einspritzpunkt zum Verdampferaustritt linear angenommen. Die Kanalquerschnitte werden für jeden Punkt nun so gewählt, dass der gesamte Druckverlust pro durchströmter Längeneinheit des auf viele Kanäle verteilten Kältemittels in der Summe konstant bleibt. Wie oben ausgeführt, ist es möglich, die Kanalquerschnitte mit Hilfe einer CFD-Simulation auszulegen.
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Insgesamt kann die Kanalstruktur des erfindungsgemäßen Verdampfers so ausgeführt sein, dass zunächst eine Vergrößerung der Anzahl der Teilkanäle und ab einem bestimmten Punkt wieder eine Verkleinerung der Anzahl der Teilkanäle erfolgt. Dieses Muster kann bezogen auf eine zwischen Einspritzstelle und Auslassstelle liegende Ebene oder Stelle symmetrisch oder auch unsymmetrisch ausgebildet sein.
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Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, bei geringen Druckverlusten eine optimale Effizienz des Wärmeübertragers zu erzielen, da eine Optimierung der Wärmeübergangsfläche bzw. des Wärmeübergangs pro Flächeneinheit des Wärmeübertagers erzielt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/097323 A1 [0028, 0028, 0041]