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Die Erfindung bezieht sich auf Wärmeüberträger mit einem Außen- und Innenrohre aufweisenden Rohrbündel, das in einem Tubus angeordnet ist, und mit einer Vielzahl von Querstreben, die die Rohre des Rohrbündels zusammenhalten und Umlenkflächen aufweisen, wobei Querstreben einer ersten Art derart im Rohrbündel angeordnet sind, dass deren Umlenkflächen gleichgerichtet schräg zur Längsache des Rohrbündels verlaufen, und die Querstreben einer zweiten Art derart im Rohrbündel angeordnet sind, dass deren Umlenkflächen ebenfalls gleichgerichtet schräg zur Längsachse des Rohrbündels, aber kreuzend zu den Querstreben der ersten Art verlaufen.
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Ein derartiger Wärmeüberträger ist z. B. in der
EP 1 067 352 A1 beschrieben. Jede Querstrebe besteht aus mehreren Stegplatten, deren Oberflächen Umlenkflächen bilden und die zwischen die Rohre des Rohrbündels geschoben werden, wodurch eine gitterartige Struktur mit mehreren sich kreuzenden Umlenkflächen entsteht. Durch die sich kreuzende Anordnung der einzelnen Stegplatten werden die Stegplatten der Querstreben der ersten Art aber durch die Stegplatten der Querstreben der zweiten Art voneinander beabstandet und umgekehrt, so dass die Umlenkfläche einer jeden Querstrebe keine geschlossene Fläche ist.
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Darüber hinaus ist die Montage solcher Wärmeüberträger mit aus einzelnen Stegplatten bestehenden Querstreben sehr aufwändig, da für eine Umlenkfläche mehrere Stegplatten nebeneinander angeordnet werden müssen, die einzeln auf das Rohrbündel aufgeschoben werden müssen.
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Die Erfindung beruht daher auf der Aufgabe, die Lenkung des durch den Tubus strömenden Fluids im Sinne eines erhöhten Wärmeübertrags zu verbessern und die Montage des Wärmeüberträgers zu vereinfachen.
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Zur Lösung des Problems sieht die Erfindung vor, dass die Querstreben der ersten Art von Großscheiben mit Löchern für im Umfangsrand des Rohrbündels liegende Außenrohre und mit einer Zentralöffnung gebildet sind, wobei der Außenumfang einer jeden Großscheibe das Rohrbündel umfasst, und dass die Querstreben der zweiten Art von Kleinscheiben mit Löchern für die innen liegenden Innenrohre des Rohrbündels gebildet sind, wobei jede Kleinscheibe die Zentralöffnung von mindestens einer Großscheibe durchdringt.
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Vorzugsweise sind die Abmessungen der Kleinscheiben und der Großscheiben so gewählt, dass die Außenränder der Kleinscheiben den Innenrändern der Zentralöffnungen in den Großscheiben punktweise gegenüberliegen.
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Gemäß dieser Anordnung werden nicht mehr mehrere einzelne Stegplatten zur Bildung der Umlenkfläche in einer Ebene verwendet, sondern Scheiben, die in einer Ebene jeweils eine Umlenkfläche bilden, wobei zumindest die Großscheiben das gesamte Rohrbündel umfassen und die Außenrohre des Rohrbündels ganz oder teilweise aufnehmen. Die Kleinscheiben, die die Innenrohre ganz oder teilweise aufnehmen, liegen in den Zentralöffnungen der Großscheiben und werden darin punktweise gehalten, so dass eine stabile, das Rohrbündel zusammenhaltende Struktur entsteht.
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Um den Zusammenhalt zwischen den Scheiben zu erhöhen, können die Abmessungen der Kleinscheiben und der Großscheiben so gewählt werden, dass der Durchmesser der Kleinscheiben größer ist als der Durchmesser der Zentralöffnungen, und dass die Innenränder der Großscheiben jeweils Ausnehmungen mit einer in radialer Richtung verlaufenden Kante aufweisen. An diese Kante legt sich die Kleinscheibe an.
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Es kann auch daran gedacht werden, die Großscheiben zu teilen, wobei die Kleinscheiben zwischen der Teilungskante aufgenommen werden.
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Die Großscheiben und die Kleinscheiben bilden jeweils ebene Umlenkflächen, die gegeneinander gerichtet sind. Da die Scheiben jeweils eine geschlossene Fläche aufweisen, sind auch die Umlenkflächen geschlossen, so dass die Strömungslenkung verbessert ist.
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Der Aufbau eines Wärmeüberträgers erfolgt relativ einfach: Es werden abwechselnd Groß- und Kleinscheiben auf das Rohrbündel aufgeschoben. Dies geht relativ schnell vonstatten, da für jede Ebene nur eine Scheibe und nicht mehrere Stegplatten wie sie nach dem Stand der Technik (siehe oben) benötigt werden, vorgesehen ist. Die Neigungen der Groß- und Kleinscheiben sind entgegengesetzt gerichtet. Ihre Neigungslinien schließen einen Neigungswinkel mit der Längachse des Tubus ein.
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Die Strömungslenkung ist besonders dann effektiv, wenn der Flächeninhalt der Zentralöffnung einer Großscheibe 40–60 % vom Flächeninhalt der Fläche beträgt, die vom Außenumfang der Großscheibe eingeschlossen ist. Da die Kleinscheiben – wie weiter unten ausgeführt – einen Flächeninhalt besitzen, der dem Flächeninhalt der Zentralöffnung im Wesentlichen gleicht, werden durch das gewählte Flächenverhältnis die entgegengesetzt geneigten Umlenkflächen gleich gewichtet.
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Der Neigungswinkel liegt vorzugsweise zwischen 20° und 70° bzw. zwischen 30° und 60°.
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Optimale Strömungsverhältnisse werden erreicht, wenn der Neigungswinkel zwischen 40° und 50°.liegt. In diesem Fall schließen Groß- und Kleinscheiben einen Winkel von 80° und 100° ein.
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Um keine geraden Pfade durch den Tubus entstehen zu lassen, die nicht von den Scheiben betroffen sind, ist die Außenumfangsform der Kleinscheiben bis auf eine Skalierung deckungsgleich mit der Innenumfangsform der Zentralöffnungen. Dies hat weiterhin den Vorteil, dass die Kleinscheiben als Ausschnitt aus den Großscheiben erzeugt werden können, wodurch gleichzeitig die Zentralöffnung in den Großscheiben entsteht. Auf Grund von Schnittverlusten ist die Kleinscheibe ein wenig kleiner als die Zentralöffnung.
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Die Kleinscheiben besitzen in Richtung einer Nebenachse eine kleinere Ausdehnung als in Richtung einer dazu senkrechten Hauptachse, wobei die Hauptachse in Richtung der Neigung der Kleinscheiben verläuft.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Großscheiben jeweils einen Außenumfang besitzen, der spiegelsymmetrisch zu der Hauptachse verläuft, und die Zentralöffnungen in den Großscheiben einen Innenumfang besitzen, der ebenfalls spiegelsymmetrisch zu der Hauptachse verläuft, wobei die Hauptachsen des Außen- und Innenumfanges in einer die Längsachse des Tubus aufnehmenden Vertikalebene liegen und in Richtung der Neigung verlaufen.
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Typischerweise besitzen die Großscheiben einen elliptischen Außenumfang, während die achsgleichen Zentralöffnungen in den Großscheiben einen elliptischen oder auch einen polygonen Innenumfang besitzen.
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Dabei befinden sich in den Außenbereichen der Großscheiben, die die Zentralöffnung umfassen, mehrere Löcher, durch die die Außenrohre des Rohrbündels hindurchgeführt werden. Am Innenumfang der Zentralöffnung sowie am Außenumfang der Kleinscheiben befinden sich korrespondierende Ausnehmungen, die ebenfalls weiter innen liegende Innenrohre des Rohrbündels aufnehmen. Die Kleinscheiben weisen vor allem Löcher für die innen im Rohrbündel liegenden Innenrohre auf.
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Aus dem obengenannten Stand der Technik ist ebenfalls bekannt, die Umlenkflächen abschnittsweise um die Tubusachse um einen Azimutwinkel verdreht anzuordnen. Um eine noch bessere Durchmischung des Fluids im Tubus zu erreichen, sind die Scheiben in Gruppen angeordnet, wobei die Neigungslinie der Scheiben der zweiten Gruppe gegenüber den Neigungslinie der Scheiben der ersten Gruppe um einem Azimutwinkel von 90° versetzt sind.
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Wenn die benachbarten Rohre des Rohrbündels in einem Dreieck angeordnet sind, benötigt man einerseits Groß- und Kleinscheiben einer ersten Gruppe, deren Hauptachsen in einer Vertikalebene parallel zu einer Verbindungslinie von zwei benachbarten Rohren des Dreiecks liegen, und Groß- und Kleinscheiben einer zweiten Gruppe, deren Hauptachsen in einer Vertikalebene liegen, in der wiederum eine Verbindungslinie von zwei benachbarten Rohren des Dreiecks liegt.
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Aus Großscheiben der ersten Gruppe und den dazugehörigen Kleinscheiben wird ein Hauptpaket und aus Großscheiben der zweiten Gruppe und den dazugehörigen Kleinscheiben ein Folgepaket gebildet, wobei Haupt- und Nebenpakete -abwechselnd in Längsrichtung des Rohrbündels aufeinander folgen.
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Bei den Haupt- und Nebenpaketen sind jeweils die Anfangs- und Endscheiben derart gekappt, dass die Pakete in einer Stirnebene enden, die senkrecht zur Längsachse des Rohrbündels verläuft.
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Um eine Demontage zu erleichtern, können Haltestangen vorgesehen werden, die die Scheiben durchdringen und die als Zuganker ausgeführt sind.
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Im Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen:
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1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Wärmeüberträgers mit einem Tubus und einem darin angeordneten Rohrbündel, dessen Rohre von Querstreben zusammengehalten werden,
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2 eine perspektivische Darstellung eines Hauptpaketes, das sich aus Querstreben in Form von Klein- und Großscheiben zusammensetzt,
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3 eine Draufsicht auf eine Großscheibe und eine Kleinscheibe für ein Hauptpaket gemäß 2,
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4 eine perspektivische Darstellung eines aus Großscheiben und Kleinscheiben bestehenden Folgepaketes, und
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5 eine Draufsicht auf eine Großscheibe und eine Kleinscheibe für ein Folgepaket gemäß 4.
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Gemäß der 1 besteht ein Wärmeüberträger aus einem Tubus 1, in dem sich ein Rohrbündel 2 befindet, das von mehreren Querstreben 3 zusammengehalten wird. Die Querstreben 3 dienen außerdem der Führung eines Fluids durch den Tubus 1.
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Bei den Rohren des Rohrbündels 2 kann es sich z. B. um ineinander gesteckte Rohre handeln, denen ein Wärmeträger in Form eines Fluids über einen stirnseitigen Flansch 4 an einem Kopf 5 des Tubus 1 zugeführt wird, das über einen seitlichen Flansch 6 am Kopf 5 abgeführt wird.
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Die Zu- und Abfuhr des Wärmeträgers erfolgt über gegenüberliegende seitliche Flansche 7, 8 am Tubus 1, die sich knapp unterhalb des Kopfes 5 befinden.
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Das Rohrbündel 2 wird von Hauptpaketen und Folgepaketen zusammengehalten, wobei ein Hauptpaket 11 in der 2 dargestellt ist. Dieses Paket 11 besteht aus mehreren parallel zueinander angeordneten und gegenüber der Längsachse des Tubus geneigten Großscheiben 12 und mehreren parallel zueinander angeordneten und gegenüber der Längsachse des Tubus geneigten Kleinscheiben 13. Die Flächen der Scheiben 12, 13 bilden Umlenkflächen für ein durch den Tubus 1 fließendes Fluid.
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Die Neigung der Scheiben 12, 13 wird jeweils durch eine Neigungslinie definiert, die in der jeweiligen Scheibe liegt und die mit der Längsachse des Tubus einen minimalen Winkel, den Neigungswinkel, einschließt. Die Winkellage der Projektion der Neigungslinie in die Polarebene ist der Azimutwinkel. Der Winkelabstand zwischen dem Azimutwinkel der Neigungslinien der Großscheiben 12 und den Neigungslinien der Kleinscheiben 13 beträgt in dieser Ausführung 180°. Die Neigungslinien der Großscheiben 12 und der Kleinscheiben 13 bilden gleichzeitig deren Hauptachsen 16 (siehe 3), die in einer gemeinsamen Ebene liegen, auf der die Scheiben 12, 13 jeweils senkrecht stehen.
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Die Großscheiben 12 besitzen weiterhin jeweils eine Zentralöffnung 14, in denen die Kleinscheiben 13 eingeschoben sind. Großscheiben 12 und Kleinscheiben 13 sind somit ineinander geschachtelt.
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Weiterhin besitzen die Großscheiben 12 und die Kleinscheiben 13 eine Vielzahl von Löchern 15, durch die die Rohre des Rohrbündels 2 passgenau hindurchgeführt sind.
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Die Großscheiben 12 und die Kleinscheiben 13 sind untereinander deckungsgleich. Die Abmessungen einer Großscheibe 12 und einer Kleinscheibe 13 ergeben sich aus der 3, die eine Draufsicht auf die Scheiben 12, 13 in Richtung des Rohrbündels 2 zeigt, so dass die Großscheibe kreisrund erscheint. Tatsächlich haben beide eine elliptische Form, wie dies auch in der 2 zu erkennen ist. Die Zentralöffnungen 14 sind im Wesentlichen deckungsgleich mit den Kleinscheiben 13. Dies erlaubt es, jeweils eine Kleinscheibe 13 aus einer Großscheibe 12 z. B. mittels eines Laserstrahls auszuschneiden. Auf Grund der dabei entstehenden Schnittverluste sind die Kleinscheiben 13 etwas kleiner als die Großscheiben und sind daher nur bis auf einen Skalierungsfaktor deckungsgleich mit den Zentralöffnungen 14.
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Die hier dargestellte elliptische Form stellt eine Möglichkeit dar, die Groß- und Kleinscheiben auszuführen. Möglich sind aber auch polygone oder runde Formen. 3 lässt auch nicht die Neigung der Scheiben 12, 13 erkennen. Diese sind – wie der 2 zu entnehmen ist – gegeneinander gerichtet, so dass sich die beiden Scheiben 12, 13 unter einem Winkel von z. B. 90° schneiden. Andere Winkel sind aber auch möglich.
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Die Längen der Scheiben 12, 13 sind, gemessen in deren Hauptachsen 16, etwa gleich groß. Die Breiten der Kleinscheiben 13 sind, bezogen auf ihre Nebenachsen 17, die senkrecht zu den Hauptachsen 16 verlaufen, in etwa um die Hälfte kleiner als die entsprechenden Breiten der Großscheiben 12.
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In diesem Ausführungsbeispiel besitzt das Rohrbündel eine sechseckige Außenkontur, wobei benachbarte Rohre in den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind. Dies entspricht einer so genannten Dreiecksteilung von 60°.
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Somit befinden sich die Löcher 18 für die Eckrohre eines im Sechseck angeordneten Rohrbündels 2 auf der Nebenachse 17 der Großscheibe 12. Die Großscheibe 12 enthält weitere Löcher 19 für Rohre im Außenbereich des Rohrbündels 2, während Rohre im Inneren des Rohrbündels 2 von Löchern 20 in der Kleinscheibe 13 aufgenommen werden.
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Einige Rohre verlaufen durch die Kanten der Kleinscheibe 13 bzw. der Innenkante der Großscheibe. Hier befinden sich Ausnehmungen 22a, 22b, die in der Draufsicht – wie die 3 zeigt – scheinbar ein geschlossenes Loch bilden.
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Die Anordnung der Rohre im Sechseck ist als Beispiel zu verstehen. Es ist eine Form, bei der benachbarte Rohre in den Ecken eines gleichschenkligen Dreiecks liegen. Dies hat zur Folge, dass bei einer Neigung der Scheiben 12, 13 in Richtung einer Seitenlinie des Dreiecks die Löcher in den Scheiben 12, 13 anders angeordnet werden müssen, als bei Scheiben, deren Hauptachse in Richtung einer Mittelsenkrechten des Dreiecks liegt (wie in 2 und 3 dargestellt). Entsprechendes gilt auch für eine Anordnung der Rohre auf den Ecken eines gleichseitigen rechtwinkeligen Dreiecks mit zwei gleichen Seiten.
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Die bisher beschriebenen Scheiben 12, 13 gemäß 2 und 3 sind so angeordnet, dass der Azimutwinkel ihrer Neigungslinien 0° bzw. 180° beträgt. Sie bilden somit ein Hauptpaket.
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Um die Strömung des Fluids im Tubus 1 so zu beeinflussen, dass der Wärmeübertrag verbessert wird, folgt im Tubus auf ein Hauptpaket 11 ein Folgepaket 26, dessen Scheiben 12, 13 so orientiert sind, dass die Azimutwinkel ihrer Neigungslinien bei 90° bzw. 270° liegen.
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Die 4 und 5 zeigen ein solches Folgepaket 26. Dies entspricht einem Hauptpaket mit dem Unterschied, dass sich auf den Nebenachsen 17 der Großscheiben 12 Löcher 27 für Rohre des Rohrbündels 2 befinden, die sich alle auf den Mittelsenkrechten der gleichschenkeligen Dreiecke befinden, also gemäß der Darstellung in der 5 in einer Kante des Sechsecks des Rohrbündels 2 liegen. Weiterhin befinden sich auf der Hauptachse der Kleinscheiben 13 Löcher 28, die im gleichschenkeligen Dreieck benachbart sind.
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Es sind auch Rohrbündel bekannt, bei denen die Rohre in einem Quadrat angeordnet sind. In diesem Fall können – soweit der Rohrspiegel für beide Achsen identisch ist – gleichartige Scheiben für Haupt- und Folgepakete verwendet werden, da die Verteilung der Rohre im Rohrbündel 2 in jeweils um 90° gegeneinander versetzten Azimutwinkeln identisch ist.
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Zur Herstellung eines von Querstreben 3 gesicherten Rohrbündels 2 werden zunächst die Groß- und Kleinscheiben 12, 13 eines Hauptpaketes abwechselnd auf das Rohrbündel 2 aufgeschoben, wobei sich die Außenkanten der Kleinscheiben 13 den Innenkanten der Zentralöffnungen 14 der Großscheiben 12 punktweise gegenüberliegen, wobei die Scheiben 12, 13 an diesen Stellen miteinander verschweißt werden können.
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Um eine Änderung der Ausrichtung der Neigung zu erreichen, wird nach einer oder mehreren Großscheiben ein Wechsel zu Scheiben des Hilfspaketes vorgenommen, um anschließend wieder zu einem Hauptpaket zu wechseln. Da die einzelnen Pakete dazu einen geraden Stirnabschluss benötigen, sind die Groß- und Kleinscheiben, die die Endstücke eines Paketes 11, 26 bilden, entsprechend entlang einer Schnittkante 29, wie dies die 2 und 4 zeigen, gekürzt.
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Die Umlenkflächen der schräg und winkelversetzt angeordneten Scheiben 12, 13 bewirken, dass das Fluid mäandernd durch den Tubus 2 geleitet wird, wodurch ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist.
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Durch die Bündelung der Rohre mittels der Scheiben 12, 13 werden außerdem Schwingungen der Rohre des Rohrbündels unterdrückt. Des Weiteren wird durch einen konstanten Winkel der Neigung gegenüber der Rohrbündelachse eine gleichmäßige Anströmung der Rohre über den ganzen Bereich erreicht, so dass ein gleichmäßiger Wärmeübergang erreicht wird.
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Die Verwendung von Scheiben verhindert tote Ecken und Winkel und es liegt ein gleichmäßiger, aber geringer Druckabfall über den Querschnitt und die Länge des Tubus vor.
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Durch eine Änderung der Abstände der Löcher für die Rohre lässt sich der Neigungswinkel der Scheiben 12, 13 den jeweiligen Bedürfnissen anpassen.
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Das Prinzip ist grundsätzlich für alle Rohrbündelwärmeüberträger wie flüssig/flüssig, Gas/Gas, Gas/flüssig und flüssig/Gas einsetzbar.
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Die Rohre können sowohl glatt als auch gerippt sein. Wie oben schon erläutert, können Fieldrohre eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tubus
- 2
- Rohrbündel
- 3
- Querstreben
- 4
- stirnseitiger Flansch
- 5
- Kopf
- 6
- seitlicher Flansch
- 7
- seitlicher Flansch
- 8
- seitlicher Flansch
- 11
- Hauptpaket
- 12
- Großscheiben
- 13
- Kleinscheiben
- 14
- Zentralöffnung
- 15
- Löcher
- 16
- Hauptachse
- 17
- Nebenachse
- 18
- Loch für Eckrohr
- 19
- weitere Löcher
- 20
- Löcher
- 21
- Loch für Zentralrohr
- 22a
- Ausnehmungen
- 22b
- Ausnehmungen
- 26
- Folgepaket
- 27
- Loch
- 28
- Loch
- 29
- Schnittkante
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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