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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zur Durchströmung eines zweiphasigen Fluids, insbesondere zum Betreiben in einem Kältemittelkreislauf eines Kraftfahrzeugs.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei Kraftfahrzeugen sind Wärmeübertrager, insbesondere Verdampfer oder Kondensatoren, bekannt, welche von einem zweiphasigen Fluid, also von einem Kältemittel, durchströmt werden.
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Bei solchen Wärmeübertragern sind eine hohe Anzahl der Wärmeübertrager mit horizontal verlaufenden Sammelrohren und mit vertikal verlaufenden Flachrohren zwischen den Sammelrohren ausgebildet, wobei die Flachrohre jeweils eine Mehrzahl von Fluidkanälen aufweisen, welche in dem jeweiligen Flachrohr benachbart zueinander angeordnet sind und die sich entlang der Längsrichtung des Flachrohrs erstrecken. Solche Wärmeübertrager als Verdampfer sind beispielswiese durch die
WO 2012/041441 A2 bekannt geworden.
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Am Fluideintritt und am Fluidaustritt sowie in optional vorgesehenen Umlenkungen zwischen Fluten des Wärmeübertragers ist nicht ohne Weiteres eine gleichmäßige Verteilung der Phasen des Fluids auf alle Flachrohre gegeben. Dies bedeutet, dass nicht alle Flachrohre einer Flut des Wärmeübertragers gleichmäßig mit den beiden Phasen des Fluids beaufschlagt werden.
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Ist nicht jedes Flachrohr einer Flut mit dem gleichen Flüssigkeitsmassenstrom und dem gleichen Gasmassenstrom beaufschlagt, so liegt entsprechend eine Ungleichverteilung vor. Diese Ungleichverteilung kann je nach Ausmaß der Ungleichverteilung zu einem merklich ungleichmäßigen Temperaturprofil auf der Luftseite des Wärmeübertragers führen. Eine gleichmäßige Luftaustrittstemperatur des Wärmeübertragers wird dabei als eine grundlegende Komforteigenschaft eines Klimageräts angesehen, so dass eine solche Ungleichverteilung daher zu vermeiden ist.
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Liegt bei einem Verdampfer in einzelnen Flachrohren einer Flut ein zu geringer Flüssigkeitsmassenstrom oder bei einem Kondensator ein zu geringer Dampfmassenstrom vor, so kann abhängig vom Betriebspunkt ab einer gewissen Strömungslänge in Höhenrichtung im Rohr kein Flüssigkeitsmassenstrom zum Verdampfen beim Verdampfer bzw. kein Gasmassenstrom zum Kondensieren beim Kondensator/Gaskühler vorliegen. Der vom Flachrohr übertragene Wärmestrom sinkt dann ab dieser Stelle merklich ab. Eine unerwünschte Warmzone beim Verdampfer bzw. eine unerwünschte Kaltzone beim Kondensator/Gaskühler auf der Luftseite ist die Folge.
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Solche mit einem mehrphasigen Fluid betriebene Wärmeübertrager in einem Klimagerät werden üblicherweise mit vertikal verlaufenden Flachrohren verbaut. Dadurch ergibt sich ein leichter Luftaustrittstemperaturunterschied zwischen dem unteren Bereich des Wärmeübertragers und dem oberen Bereich des Wärmeübertragers. Der Luftaustrittstemperaturunterschied in Breitenrichtung des Wärmeübertragers, also quer zur Luftströmungsrichtung in der Breite des Wärmeübertragers, ist in einem Hochlastbetrieb bei hohem Kältemittelmassenstrom gering. Im Teillastbetrieb bei niedrigen Kältemittelmassenströmen ergibt sich allerdings das oben beschriebene Problem.
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Die im Stand der Technik bekannten oben beschriebenen Wärmeübertrager mit vertikal angeordneten Flachrohren und horizontal angeordneten Sammelrohren weisen eine senkrechte zur Flachrohrlängsrichtung, also in Querrichtung, orientierte Flachrohrablängung mit einem Neigungswinkel α zur Querrichtung von α = 0° auf. Damit wird die geringst mögliche Flachrohreinstecktiefe in das Sammelrohr erreicht und der Materialbedarf ist minimal.
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In Teillastzuständen liegt im Sammelrohr häufig eine Schichtenströmung oder ein schichtenströmungsähnlicher Zustand vor, also ein Zustand, in dem die Phasen des Kältemittels aufgrund der Gravitationskraft voneinander in Richtung der Gravitationskraft getrennt sind. In diesem Fall ist das Sammelrohr im Querschnitt bis zu einer gewissen Höhe überwiegend von der Flüssigphase des Kältemittels durchströmt und darüber überwiegend von der Gasphase des Kältemittels durchströmt.
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Das Ende eines Flachrohrs ist also entweder vollständig unterhalb des Flüssigkeitsspiegels oder vollständig oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet. Dies begünstigt die Beaufschlagung des Flachrohrs mit überwiegend Flüssigphase oder mit überwiegend Gasphase. Entzieht ein Flachrohr der Kältemittelströmung durch das Sammelrohr hauptsächlich eine Phase, so reduziert sich für das in Breitenrichtung des Wärmeübertrages nächste Flachrohr der Füllstand dieser Phase. Dies wiederholt sich so oft, bis der Füllstand zur Beaufschlagung des wiederum nächsten Flachrohrs nicht mehr ausreicht. In einem Sammelrohrabschnitt, in dem eine Verteilung des Kältemittels auf mehrere Flachrohre in Breitenrichtung erfolgt, entsteht damit abhängig vom Betriebszustand im Teillastzustand eine Ungleichverteilung des Kältemittels.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen oben genannten Wärmeübertrager zur Durchströmung eines zweiphasigen Fluids, insbesondere zum Betreiben in einem Kältemittelkreislauf eines Kraftfahrzeugs, zu schaffen, bei welchem die Phasenverteilung des Kältemittels über die Flachrohre, insbesondere einer Flut, vergleichmäßigt ist und bei welchem Zustände, in welchen einzelne Flachrohre fast ausschließlich mit Gasphase oder Flüssigphase aufgrund von Gravitation auf das Kältemittel beaufschlagt werden, reduziert oder vermieden werden.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Rohr-Rippenblock mit Flachrohren und Rippen, weiterhin mit zwei Sammelrohren, die an den sich gegenüberliegenden Enden der Flachrohre des Rohr-Rippenblocks angeordnet sind und mit den Flachrohren in Fluidkommunikation stehen, wobei in den Sammelrohren Öffnungen vorgesehen sind, durch welche die Enden der Flachrohre in den Innenraum der Sammelrohre reichen, wobei die Sammelrohre mit ihrer Längsrichtung im Wesentlichen horizontal ausgerichtet sind und die Flachrohre mit ihrer Längsrichtung im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind, wobei zumindest ein Ende des jeweiligen Flachrohrs gegenüber der Längsrichtung des Flachrohrs einen geneigten oder gekrümmten Verlauf und/oder einen Höhenunterschied aufweist, insbesondere einen geneigten Verlauf aufweist, derart, dass das Ende des Flachrohrs einen Winkel ungleich 90° zur Längsrichtung des Flachrohrs aufweist. Dadurch bildet das Ende des Flachrohrs bzw. der Flachrohre zur Längsrichtung des Flachrohrs keinen rechten Winkel, so dass das Ende des Flachrohrs insbesondere in Luftströmungsrichtung oder entgegen der Luftströmungsrichtung absinkt. Dies bewirkt, dass durch die beispielsweise schräge Ablängung der Flachrohre verhindert wird, dass alle Fluidkanäle eines Flachrohrs unterhalb eines gewissen Füllstands des Sammelrohrs mit der einen Phase und oberhalb eines gewissen Füllstands mit der anderen Phase beaufschlagt werden. Es enden nicht alle Kanäle des Flachrohrs auf der gleichen Höhe, so dass die obersten Kanäle in der Gasphase enden können und die untersten Kanäle im Bereich der Flüssigphase enden können. Dadurch wird eine gleichmäßigere Verteilung beider Phasen auf die Flachrohre erreicht, so dass eine gleichmäßigere Temperaturverteilung auf der Luftseite erreicht wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Neigung oder Krümmung des Endes des Flachrohrs in Luftströmungsrichtung durch die Rippen geneigt oder gekrümmt ist. Auch dadurch wird bei vertikaler Ausrichtung der Flachrohre eine Neigung bzw. Krümmung relativ zu einer Grenzfläche zwischen der Gasphase und der Flüssigphase erreicht.
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Insgesamt stellt der Begriff „Neigung der Krümmung“ einen Verlauf dar, der von einer Seite des Flachrohrs hin zu anderen Seite des Flachrohrs einen Verlauf mit einem Höhenunterschied aufzeigt, so dass die eine Seite des Flachrohrs bei vertikaler Ausrichtung des Flachrohrs höher ist als die andere Seite des Flachrohrs, jeweils an einem oder an beiden Enden des Flachrohrs betrachtet.
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Dabei kann die Neigung oder Krümmung auch durch eine Abstufung oder einen sonstigen nicht linearen Verlauf erfolgen, beispielsweise parabelförmig etc.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Ende des Flachrohrs einen Winkel im Bereich von etwa 45° bis 135°, insbesondere im Bereich von 60° bis 120°, zur Längsrichtung des Flachrohrs aufweist. Dadurch wird erreicht, dass der Effekt bei möglichst vielen diesbezüglich kritischen Betriebszuständen erreicht wird.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Ende des Flachrohrs einen Höhenunterschied im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm aufweist, in Luftströmungsrichtung betrachtet.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Ende des Flachrohrs stromabwärts der Luftströmung ansteigend geneigt ist. Optional könnte es auch so sein, dass das Ende des Flachrohrs stromaufwärts der Luftströmung ansteigend geneigt ist.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn nur das obere Ende des jeweiligen Flachrohrs, das im oben angeordneten Sammelrohr angeordnet ist, gegenüber der Längsrichtung des Flachrohrs nicht rechtwinklig ausgerichtet ist und/oder gegenüber der Luftströmungsrichtung einen geneigten Verlauf aufweist. Im unteren Bereich kann auf diesen Effekt verzichtet werden.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn nur das untere Ende des jeweiligen Flachrohrs, das im unten angeordneten Sammelrohr angeordnet ist, gegenüber der Längsrichtung des Flachrohrs nicht rechtwinklig ausgerichtet ist und/oder gegenüber der Luftströmungsrichtung einen geneigten Verlauf aufweist. Im oberen Bereich kann auf diesen Effekt verzichtet werden.
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Alternativ ist es vorteilhaft, wenn beide Enden des jeweiligen Flachrohrs, das im oben angeordneten Sammelrohr angeordnete Ende und das im unteren Sammelrohr angeordnete Ende, gegenüber der Längsrichtung des Flachrohrs nicht rechtwinklig ausgerichtet sind und/oder gegenüber der Luftströmungsrichtung einen geneigten Verlauf aufweisen.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das jeweilige Flachrohr ein Multikanalrohr mit einer Mehrzahl von Fluidkanälen ist, wobei sich die Fluidkanäle im Wesentlichen benachbart zueinander in Längsrichtung des Flachrohrs erstrecken. Dadurch kann das durchströmende Fluid effektiver Wärme aufnehmen bzw. abgeben, weil mehr übertragende Oberfläche zur Verfügung steht.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der Wärmeübertrager einreihig oder zweireihig oder mehr als zweireihig in Luftströmungsrichtung betrachtet ausgebildet ist, mit einer Anzahl von Flachrohren quer zur Luftströmungsrichtung betrachtet. Dadurch kann eine effektive Gestaltung erreicht werden. So sind luftdurchströmte Verdampfer typischerweise zweireihig in Luftströmungsrichtung ausgebildet und Kondensatoren typischerweise einreihig in Luftströmungsrichtung. Allerdings kann es auch vorteilhaft sein, wenn der luftdurchströmte Verdampfer einreihig, zweireihig oder mehr als zweireihig ausgebildet ist und der Kondensator einreihig, zweireihig oder mehr als zweireihig ausgebildet ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Wärmeübertrager ein Kondensator und/oder ein Wärmepumpenheizer eines Klimagerätes ist.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Flachrohre in Gruppen unterteilt sind, wobei jedes Flachrohr einer Gruppe von Flachrohren parallel durchströmbar ist.
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Figurenliste
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Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Figuren der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
- 2 eine ausschnittweise Schnittdarstellung eines Wärmeübertragers nach dem Stand der Technik,
- 3 eine weitere ausschnittweise Schnittdarstellung eines Wärmeübertragers nach dem Stand der Technik,
- 4 eine weitere ausschnittweise Schnittdarstellung eines Wärmeübertragers nach dem Stand der Technik, und
- 5 eine ausschnittweise Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt einen Wärmeübertrager 1 gemäß der Erfindung, wobei die äußere Ansicht sich von einem Wärmeübertrager nach dem Stand der Technik nicht unterschiedet, weil die erfindungsgemäß verbesserten konstruktiven Merkmale im Inneren des Wärmeübertragers 1 angeordnet sind. Daher kann die 1 auch in Bezug auf den Stand der Technik als Anschauung dienen.
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Der Wärmeübertrager 1 weist einen Rohr-Rippenblock 2 mit Flachrohren 3 und Rippen 4 auf.
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Es sind zwei Sammelrohre 5 vorgesehen, die an den sich gegenüberliegenden Enden 6 der Flachrohre 3 des Rohr-Rippenblocks 2 angeordnet sind und die mit den Flachrohren 3 in Fluidkommunikation stehen.
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Dazu sind in den Sammelrohren 5 Öffnungen 7 vorgesehen, durch welche die Enden 6 der Flachrohre 3 in den Innenraum der Sammelrohre 5 reichen. Dabei sind die Flachrohre 3 in den Öffnungen 7 abgedichtet aufgenommen, beispielsweise verlötet und/oder geklebt und/oder mit einer Dichtung mechanisch gefügt.
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Dabei sind die Sammelrohre 5 mit ihrer Längsrichtung im Wesentlichen horizontal ausgerichtet, siehe Pfeil 8. Die Flachrohre 3 sind mit ihrer Längsrichtung im Wesentlichen vertikal ausgerichtet, siehe Pfeil 9. Der Pfeil 10 stellt die Luftströmungsrichtung dar.
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Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 ist es vorteilhaft, wenn das jeweilige Flachrohr 3 ein Multikanalrohr mit einer Mehrzahl von Fluidkanälen 11 ist, wie es 5 zeigt, wobei sich die Fluidkanäle 11 im Wesentlichen benachbart zueinander in Längsrichtung 9 des Flachrohrs 3 erstrecken.
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In 1 ist zu erkennen, dass der Wärmeübertrager zweireihig in Luftströmungsrichtung betrachtet ausgebildet ist. Es sind zwei Reihen 12 von Flachrohren 3 vorgesehen, wobei jeweils zwei Flachrohre 3 in Luftströmungsrichtung 10 nacheinander angeordnet sind.
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In jeder Reihe 12 ist eine Anzahl von Flachrohren 3 quer zur Luftströmungsrichtung 10, also in Richtung des Pfeils 8 angeordnet.
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Dabei können die Flachrohre 3 in Gruppen unterteilt sein, wobei jedes Flachrohr 3 einer Gruppe von Flachrohren 3 parallel durchströmbar ist. Damit lassen sich verschiedene Fluten gestalten, die seriell und/oder parallel durchströmbar sind.
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Die 2, 3 und 4 zeigen jeweils ein Ende 14 eines Flachrohrs 3 nach dem Stand der Technik, das jeweils rechtwinklig zur Längsrichtung 9 des Flachrohrs 3 abgelängt wurde und somit mit einem horizontalen Ende 14 im Sammelrohr 5 angeordnet ist.
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In 2 ist die Flüssig-Dampfförmig-Grenze 13, auch als Phasengrenze zwischen der Dampfphase und der Flüssigphase bezeichenbar, oberhalb des Endes 14 des Flachrohrs 3, so das im Wesentlichen nur flüssiges Fluid, wie Kältemittel oder ein Kältemittel-Öl-Gemisch, in das Flachrohr 3 einströmt.
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In 3 ist die Flüssig-Dampfförmig-Grenze 13 unterhalb des Endes 14 des Flachrohrs 3, so das im Wesentlichen nur dampfförmiges Fluid, wie Kältemitteldampf, in das Flachrohr 3 einströmt.
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In 4 sind insgesamt fünf Flachrohre 3 zu erkennen, deren jeweils eines Ende 14 bzw. deren Enden 14 jeweils auf gleicher Höhe angeordnet sind. Die Flüssig-Dampfförmig-Grenze 13 ist von links nach rechts veränderlich und nimmt von links nach rechts ab. Bei den beiden linken Flachrohren 3 strömt im Wesentlichen nur flüssiges Fluid, wie beispielsweise flüssiges Kältemittel, in die Flachrohre 3 ein. Bei den beiden rechten Flachrohren 3 strömt im Wesentlichen nur dampfförmiges Fluid, wie beispielsweise Kältemitteldampf, in die Flachrohre 3 ein.
Bei dem mittleren Flachrohr 3 ist die Flüssig-Dampfförmig-Grenze 13 im Wesentlichen auf der Höhe des Endes 14, so dass sowohl Dampf als auch Flüssigkeit in das Flachrohr 3 einströmt.
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Die 5 zeigt ein Ende 14 eines Flachrohrs 3 gemäß der Erfindung, das schräg bzw. geneigt zur Längsrichtung 9 des Flachrohrs 3 abgelängt wurde und somit mit einem schrägen Ende im Sammelrohr 5 angeordnet ist. Das Ende 14 des gezeigten Flachrohrs 3 und des jeweiligen Flachrohrs 3 ist gegenüber der Längsrichtung des Flachrohrs mit einen geneigten Verlauf ausgebildet, derart, dass das Ende 14 des Flachrohrs 3 einen Winkel ungleich 90° zur Längsrichtung des Flachrohrs aufweist. Dabei ist der Winkel α zur Horizontalen und somit zur Luftströmungsrichtung 10 dargestellt.
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Es liegt also eine Neigung mit Winkel α des Endes 14 des Flachrohrs 3 zur Luftströmungsrichtung 10 der Luft durch die Rippen vor.
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Das Ende des Flachrohrs 3 bildet also einen Winkel im Bereich von etwa 45° bis 135°, insbesondere im Bereich von 60° bis 120°, zur Längsrichtung 9 des Flachrohrs. α ist daher im Bereich von +- 45°.
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Es ist auch zu erkennen, dass das Ende 14 des Flachrohrs 3 einen Höhenunterschied H im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm aufweist, in Luftströmungsrichtung 10 betrachtet. Das Ende 14 auf der linken Seite ist höher als das Ende 14 auf der rechten Seite.
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Grundsätzlich muss der Verlauf der Enden 14 der Flachrohre 3 jedoch nicht linear sein, wie es in 5 gezeigt ist, sondern es sind auch andere Verläufe der Höhenabnahme der Enden 14 möglich. Grundsätzlich kann also auch ein abgestufter, ein linearer, ein parabelförmiger oder sonstiger Verlauf der Enden 14 vorgesehen sein.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Ende 14 des Flachrohrs 3 stromabwärts der Luftströmung ansteigend geneigt ist, also die Luft in 5 von rechts nach links strömt. Dies kann jedoch auch entgegengesetzt sein, so dass das Ende 14 des Flachrohrs 3 stromaufwärts der Luftströmung ansteigend geneigt ist.
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Da jedes Flachrohr 3 zwei entgegengesetzt angeordnete Enden 14 aufweist, kann es nun vorteilhaft sein, wenn nur das obere Ende 14 des jeweiligen Flachrohrs 3, das im oben angeordneten Sammelrohr 5 angeordnet ist, gegenüber der Längsrichtung 9 des Flachrohrs 3 nicht rechtwinklig ausgerichtet ist und/oder gegenüber der Luftströmungsrichtung 10 einen geneigten Verlauf aufweist.
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Alternativ können auch beide Enden 14 des jeweiligen Flachrohrs 3, das im oben angeordneten Sammelrohr 5 angeordnete Ende 14 und das im unteren Sammelrohr 5 angeordnete Ende 14, gegenüber der Längsrichtung 9 des Flachrohrs 3 nicht rechtwinklig ausgerichtet sein und/oder gegenüber der Luftströmungsrichtung 10 einen geneigten Verlauf aufweisen.
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Durch das schräge Anstellen des Endes 14 des Flachrohrs 3 wird erreicht, dass jeweils durch ein Teil der Fluidkanäle 11 flüssiges Fluid strömt und durch einen anderen Teil der Fluidkanäle 11 dampfförmiges Fluid. Damit wird eine gleichmäßigere Durchströmung mit einem Dampf-Flüssigkeitsgemisch erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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