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Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Wärmeübertragermodul in kompakter Bauweise, Wärmeübertrager, die mindestens zwei Wärmeübertragermodule umfassen, sowie deren Verwendung.
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In der Verfahrenstechnik sind Wärmeübertrager verschiedenster Bauart allgemein bekannt. Die Bauart der Wärmeübertrager richtet sich häufig nach den in den verschiedenen Strömungskanälen der Wärmeübertrager zu fördernden Medien.
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Weiter allgemein bekannt ist, dass sich in den Strömungskanälen solcher Wärmeübertrager Strömungsprofile ausbilden, deren Ausgestaltung insbesondere von der Viskosität der durch die Strömungskanäle zu fördernden Fluide abhängig ist. In vielen Fällen bildet sich hierbei insbesondere ein parabolisches Strömungsprofil in den Strömungskanälen aus.
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Eine allgemein bekannte Ausführungsform der vorgenannten Wärmeübertrager sind sogenannte Rohrbündelwärmeaustauscher, die durch eine Vielzahl parallel angeordneter Wärmeübertragungsrohre gekennzeichnet sind und die konstruktionsbedingt massive Rohrplatten beträchtlicher Wandstärke zur Aufnahme der parallelen Rohre umfassen.
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Bei der Anströmung der vorgenannten Rohrplatte zur Versorgung der Rohre mit dem zu temperierenden Fluid stellt sich immer eine ungleichmäßige Verteilung des Fluids auf die einzelnen Rohre des Rohrbündels ein, da der Strömungsweg von der Eintrittsöffnung der Vorrichtung zu jedem der einzelnen Rohre im Rohrbündel unterschiedlich ist. Dies hat zur Folge, dass etwa bei zentraler Anordnung der Eintrittsöffnung die außen liegenden Rohre des Rohrbündels weniger mit dem zu temperierenden Fluid beaufschlagt werden als die innen liegenden; dadurch ist die Verweilzeit des zu temperierenden Fluids in einer solchen Vorrichtung unterschiedlich für jedes Rohr des Rohrbündels und es kommt zu einer uneinheitlichen Temperierzeit des Fluids, abhängig von dem jeweiligen Rohr des Rohrbündels, durch das das zu temperierende Fluid gefördert wird.
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Ebenfalls kennzeichnend für vorstehende Rohrbündelwärmeaustauscher sind große Volumeninhalte/Räume zwischen Einlassöffnung der Vorrichtung und der Rohrplatte zur Aufnahme der Rohre des Rohrbündels.
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Eine zweite allgemein bekannte Ausführungsform der vorgenannten Wärmeübertrager sind sogenannte Plattenwärmeaustauscher, die durch eine Vielzahl geprägter und aufeinander gestapelter Platten gekennzeichnet sind und die konstruktionsbedingt zwei stabile Endplatten, die mit Zugankern verspannt sind, umfassen, um den gebildeten Plattenstapel zu fixieren und abzudichten.
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Die geprägten Platten stützen sich mindestens punktuell gegeneinander ab, so dass auftretende Druckkräfte im Plattenwärmeaustauscher zu den Endplatten weitergeleitet und von den Zugankern aufgenommen werden. Üblicherweise sind die miteinander in Kontakt stehenden Plattenränder der Platten des Plattenstapels verschweißt oder verlötet. Es sind weiter auch Alternativen bekannt, bei denen, insbesondere im Fall von geprägten Platten, die Platten des Plattenstapels mit elastischen Materialien alleinig und/oder zusätzlich abgedichtet sind.
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In der der
DE 10 317 451 A1 wird eine Vorrichtung offenbart, die zur Ausführung von chemischen Reaktionen verwendet werden kann, die dem Bauprinzip nach jedoch als Plattenwärmeaustauscher gemäß vorstehender Erklärung anzusehen ist.
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Die Vorrichtung ist aufgebaut aus Schichten geprägter Platten, wobei durch die Prägung in den Platten jeweils eine Schar von Kanälen gebildet wird. Um eine gleichmäßige Durchströmung der vorgenannten Schar von Kanälen zu erhalten, sind weiter Leitstege in den geprägten Platten vorgesehen. Zu- und Ableitkammern sind durch Prägung ebenfalls angeformt.
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Die offenbarte Vorrichtung weist zwei Arten Räume auf. Die Räume sind zum einen Reaktionsräume und zum anderen Wärmetransporträume, die insbesondere alternierend durch die Platten gebildet werden. Die Strömungsbereiche werden, wie zuvor beschrieben, mittels gestapelter Schichten der Platten gebildet.
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Über irreversible Verbindungen und/oder Dichtungen sind Reaktionsräume und Wärmetransporträume, sowie deren Zu- und Abläufe abgedichtet. Die dargestellten irreversiblen Verbindungen sind Linienverbindungen und ihre genaue Ausführungsform wird nicht offenbart. Sie dienen offenbarungsgemäß vorwiegend der Dichtheit. Es ist somit davon auszugehen, dass die gemäß der
DE 10 317 451 A1 offenbarte Möglichkeit der Ausführung von Verfahren unter hohem Druck durch andere Mittel erreicht wird als durch die „irreversible Verbindung”, da diese hohen Drücken, gemäß der Offenbarung der
DE 10 317 451 A1 nicht standhalten könnte. Die obere Grenze des Druckes von 15 bar ist aber eher gering, so dass bis hierin gegebenenfalls ein Verzicht auf andere Mittel zum Erhalt der notwendigen Druckkraft möglich wäre. In anderen Fällen wäre davon auszugehen, dass Halteplatten und Zuganker, gemäß vorstehender Erläuterung in der Vorrichtung gemäß der
DE 10 317 451 A1 , Verwendung finden müssen.
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Die Offenbarung der
DE 10 317 451 A1 ist also hinsichtlich der Vorrichtung dahingehend limitiert, als dass nur kleine wenig belastete Vorrichtungen mit geringen Kapazitäten von mehreren Liter pro Stunde mit den offenbarten Merkmalen darstellbar sind. Eine Vergrößerung der Volumenströme auf mehreren Kubikmetern pro Stunde ist bei den offenbarten Vorrichtungen der
DE 10 317 451 A1 nicht durchführbar.
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Eine Umsetzung der Offenbarung der
DE 10 317 451 A1 auf betriebstechnische Großapparate ist auch alleine deshalb ausgeschlossen, da aufgrund des auftretenden Verzugs der Platten durch irreversible Verbindungen, wie zum Beispiel das Schweißen oder Löten, sich große Plattenpakete mit zum Beispiel 1000 Platten aus der gemeinsamen Plattenachse verschieben würden.
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Die
US 5 383 516 A offenbart einen Wärmetauscher des Querstromtyps, bei dem ein starrer, einstückiger, parallelrohrförmiger Kern vorgesehen ist, der ein Abdichtungssystem aufweist, das die Installation des Kerns in eine integrale Rahmenstruktur ermöglicht, was zu einer wirksamen Abdichtung zwischen den beiden Gasleitungswegen durch den Wärmetauscher führt.
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Alle zuvor diskutierten Ausführungsformen von Wärmeübertragern, wie sie allgemein bekannt sind, oder etwa in der
DE 10 317 451 A1 offenbart werden, haben aber den allgemeinen Nachteil, dass sie für die Durchführung von Verfahren unter Beteiligung von hochviskosen und/oder temperaturempfindlichen Fluiden nicht oder nur nachteilig verwendet werden können, da etwa im Fall von Rohrbündelwärmeaustauschern die im Rohr ausgebildete Fließgeschwindigkeit der viskosen Fluide sehr niedrig ist und sich somit ein stark parabolisches Geschwindigkeitsprofil ausbildet, was dazu führt, dass die mittlere Verweilzeit im Rohr sehr lang und die Temperaturbelastung des viskosen Stoffes sehr hoch ist. Somit kommt es zu einer thermischen Produktschädigung oder zur Bildung von Nebenprodukten. Nebenprodukte führen zu nicht gewollten Verunreinigungen, die durch nachgeschaltete und aufwendige Behandlungsverfahren isoliert werden müssen.
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Plattenwärmeaustauscher sind aufgrund der auftretenden Druckbelastungen, hervorgerufen durch den Strömungswiderstand viskoser Stoffe in den engeren Kanälen, nur begrenzt einsetzbar. Diese Wärmeaustauscher werden nicht gleichmäßig durchströmt, so dass es zu einer Produktschädigung aufgrund langer Verweil- und Temperierzeiten kommt.
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Ein weiterer allgemeiner Nachteil der Plattenwärmeaustauscher ist die schlechte Reinigungsmöglichkeit; verschweißte und verlötete Apparate können nur mit einem chemischen Reinigungsverfahren gesäubert werden. Die Strömungskanäle und Temperierbereiche der geprägten Platten sind nicht zugänglich.
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Die Verwendung der in der
DE 10 317 451 A1 offenbarten Ausführungsformen als Wärmeaustauscher im Zusammenhang mit hochviskosen Fluiden ist ebenfalls nicht möglich, da die sehr kleinen Kanäle in den Strömungsebenen durch schweiß- oder löttechnischen Verzug nicht mehr zueinander fluchten und die erforderliche Verbindungsbreite und somit die Stabilität verloren geht. Auch eine einfache manuelle Reinigungsmöglichkeit ist nicht möglich, da der Reaktor vollständig verschweißt und die Kanäle nicht zugänglich sind.
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Ausgehend vom Stand der Technik besteht also die Aufgabe eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen die eine gleichmäßige, schonende Temperierung von flüssigen bis zu höher viskosen und temperaturempfindlichen Fluiden in kurzer Zeit ermöglicht.
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Die in der Vorrichtung zu temperierenden Fluide sollen insbesondere Viskositäten bis zu 1000 Pa·s aufweisen dürfen. Aufgrund der hohen Zähigkeit der Stoffe und der dadurch entstehenden Strömungsverluste in Form von Reibung soll die Vorrichtung auch Drücken von bis zu 300 bar und Temperaturen bis zu 800°C standhalten.
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Weiter soll eine kompakte und modulare Bauweise der Vorrichtung ermöglicht werden, um insbesondere gegenüber den Nachteilen der vorstehend diskutierten Rohrbündelwärmeaustauscher Verbesserungen zu ermöglichen.
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Überraschenderweise wurde nun als erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung gefunden, dass ein neuartiges Wärmeübertragermodul in kompakter Bauweise, dadurch gekennzeichnet, dass
- (i) wenigstens zwei ebene Trennplatten (2) einer Höhenausdehnung (H) und einer Breitenausdehnung (B) und wenigstens drei zwischen den Trennplatten (2) befindliche, sich gegenseitig nicht berührende äußere (3) und innere (3') Distanzplatten einer jeweils gleichen Tiefenausdehnung (T) aber unterschiedlicher Breitenausdehnung (B) fest miteinander verbunden sind, wobei die äußeren Distanzplatten (3) in ihrer gesamten Höhenausdehnung (H) und gesamten Breitenausdehnung (B) mit den Trennplatten (2) in Kontakt stehen, aber nur auf einer Verbindungsfläche, mit einer Breitenausdehnung von 10 bis 90% der Kontaktfläche fest verbunden sind,
- (ii) wenigstens zwei Querplatten (5) mit den Trennplatten (2) auf der jeweils den Distanzplatten (3, 3') abgewandten Seite fest verbunden sind, wobei die Querplatten (5) mit den Trennplatten (2) in ihrer gesamten Breitenausdehnung (B) und gesamten Höhenausdehnung (H) in Kontakt stehen, aber nur auf einer Verbindungsfläche, mit einer Höhenausdehnung (H) von 10 bis 90% der Kontaktfläche fest verbunden sind,
- (iii) zwei äußere Begrenzungsplatten (6) mit größerer Tiefenausdehnung (T) als jene der Trennplatten (2), mit den jeweils äußeren Querplatten (5) in gleicher Weise fest verbunden sind, wie mit den Trennplatten (2), und
- (iv) wobei die miteinander fest verbundenen zwei Begrenzungsplatten (6, 6'), zwei äußeren Distanzplatten (3), wenigstens zwei Trennplatten (2) und mindestens zwei Querplatten (5) zusammen mit den jeweiligen Verbindungsflächen einen festen Rahmen (10) in Form eines integrierten Rahmens ausbilden,
diese Aufgabe zu lösen vermag.
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Die vorgeschriebenen Breiten-, Höhen- und Tiefenausdehnungen (B, H, T) bezeichnen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die geometrischen Abmaße der erfindungsgemäßen Vorrichtung in drei Raumrichtungen.
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Die Tiefenausdehnung (T) bezeichnet hierbei jeweils die Raumrichtung, die senkrecht zu den in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Zwecke des Wärmeübertrags strömenden ersten und zweiten Fluide orientiert ist.
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Die Breitenausdehnung (B) bezeichnet die Raumrichtung entlang der größten geometrischen Ausdehnung der Querplatten (5), und die Höhenausdehnung (H) die Raumrichtung entlang der größten geometrischen Ausdehnung der Distanzplatten (3, 3').
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Bei den mindestens drei Distanzplatten (3, 3') ist zwischen zwei äußeren Distanzplatten (3), die in Breitenausdehnung (B) außen liegen und mindestens einer innen liegenden Distanzplatte (3') zu unterscheiden.
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Die Verbindung der Querplatten (5) mit den Trennplatten (2) und Begrenzungsplatten (6, 6') mit größerer Tiefenausdehnung (T) auf einer Verbindungsfläche mit einer Höhenausdehnung (H) von 10 bis 90% der Kontaktfläche und die Verbindung der äußeren Distanzplatten (3) mit den Trennplatten (2) auf einer Verbindungsfläche mit Breitenausdehnung (B) von 10 bis 90% der Kontaktfläche, führt gemäß der vorliegenden Erfindung zur Ausbildung des festen Rahmens (10) in Form eines integrierten Gehäuses.
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Die fest verbunden Verbindungsflächen der äußeren Distanzplatten (3) mit den Trennplatten (2) und der mindestens zwei Querplatten (5) sowie der Begrenzungsplatten (6, 6') mit den Trennplatten (2) beträgt bevorzugt von 30 bis 90%, besonders bevorzugt von 50 bis 90% der Kontaktflächen.
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Dieser feste Rahmen (10) in Form eines integrierten Gehäuses bestehend aus der Abfolge der mindestens zwei Trennplatten (2), den äußeren Distanzplatten (3) und Querplatten (5), sowie Begrenzungsplatten (6, 6') mit größerer Tiefenausdehnung (T), fuhrt dazu, dass ein das Wärmeübertragermodul umschließendes Gehäuse nicht mehr notwendig und damit die Fertigung des Wärmeübertragermoduls einfacher ausführbar ist. Dies gilt insbesondere, wenn die fest verbunden Verbindungsflächen der äußeren Distanzplatten (3) mit den Trennplatten (2) und der mindestens zwei Querplatten (5) sowie der Begrenzungsplatten (6, 6') mit den Trennplatten (2) von 30% bis 90% oder besser noch von 50% bis 90% der Kontaktflächen betragen.
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Mit den Begrenzungsplatten (6, 6') und den Kanten des festen Rahmens (10) in Form eines integrierten Gehäuses können wiederum Zu-/Abführungen (12) für ein erstes fluides Medium, sowie Zu-/Abführungen (13) für ein zweites fluides Medium fest verbunden werden, ohne dass die Notwendigkeit eines das Wärmeübertragermodul allseitig umschließenden Gehäuses entsteht.
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Durch die zwischen den mindestens zwei Trennplatten (2) befindlichen Distanzplatten (3, 3'), wird in dem erfindungsgemäßen Wärmeübertragermodul mindestens eine Kanalreihe (1), bestehend aus mindestens zwei Kanälen (4) geschaffen, wobei die Kanäle (4) rechteckig ausgestaltet sind und durch diese ein erster Strömungsbereich für ein erstes Fluid erzeugt wird.
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Durch die wenigstens zwei Querplatten (5) auf den mindestens zwei Trennplatten (2) und die Begrenzungsplatten (6, 6') wird mindestens ein Querkanal (7) geschaffen, der wiederum rechteckig ausgestaltet ist und durch den ein zweiter Strömungsbereich für ein zweites Fluid erzeugt wird, wobei die Kanäle (4) und der mindestens eine Querkanal (7) in zwei alternierenden, parallelen Raumebenen liegen.
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Fest verbunden bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, dass die Verbindung hergestellt ist mittels eines Verfahrens ausgewählt aus der Liste bestehend aus Löten, Schweißen und Kleben.
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Bevorzugt ist Schweißen.
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Besonders bevorzugt ist ein Schweißverfahren ausgewählt aus der Liste bestehend aus Diffusions-, Laser- und Elektronenstrahlschweißen, ganz besonders bevorzugt ist Laserschweißen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung jeweils an ihren Verbindungsstellen durch Laserschweißen fest verbunden.
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Die Trenn (2)-, Quer (5)-, Distanz (3, 3')- und Begrenzungsplatten (6, 6') sind üblicherweise miteinander in einem Winkel α im Bereich von 25° bis kleiner 90° verbunden. Bevorzugt sind sie in einem Winkel von 30° bis 85°, besonders bevorzugt in einem Winkel von 40° bis 75° miteinander fest verbunden.
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Die unter den vorgenannten Winkeln fest verbundenen Platten sind deshalb besonders vorteilhaft unter den vorgenannten Winkeln fest miteinander verbunden, weil unter einem Winkel kleiner 90° stehende, insbesondere durch Schweißen ausgeführte Verbindungsstellen keine Unebenheiten auf der Plattenkontaktstelle erzeugen, so dass auf eine Nachbearbeitung verzichtet werden kann. Daher sind solche Wärmeübertragermodule besonders preisgünstig zu fertigen, was vorteilhaft ist.
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In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Kontaktstellen der Trenn- (2), Quer- (5), Distanz- (3, 3') und Begrenzungsplatten (6, 6'), welche im späteren, zusammengesetzten Wärmeübertragermodul im Inneren desselben liegen durch Löten und/oder Schweißen fest mit einander verbunden, während die Kontaktstellen der Trenn- (2), Quer- (5), Distanz- (3, 3') und Begrenzungsplatten (6, 6'), welche im späteren, zusammengesetzten Wärmeübertragermodul außen liegen durch Schweißen fest mit einander verbunden sind.
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Die Trenn-, Quer- und Distanzplatten gemäß der vorliegenden Erfindung sind üblicherweise aus einem Material ausgewählt aus der Liste bestehend aus Stahl, Chrom-Nickel-Legierungen, Nickellegierungen, Titan, Aluminium, Graphit, Kupfer Keramik und Kunststoff. Die Trenn-, Quer- und Distanzplatten können hierbei jeweils aus unterschiedlichen Materialien aus der vorstehenden Liste bestehen. Bevorzugt bestehen die Trenn-, Quer- und Distanzplatten aber alle aus dem gleichen Material.
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Das erfindungsgemäße Wärmeübertragermodul ist insbesondere deshalb besonders vorteilhaft, weil sie durch die Begrenzungsplatten (6) mit einer größeren Tiefenausdehnung (T) als jener der Trennplatten (2), eine erhöhte mechanische Stabilität aufweist und somit auch in Verfahren unter größerem Druck eingesetzt werden kann. Zusammen mit der zuvor dargelegten vorteilhaften Stabilisierung im Sinne eines gebildeten Rahmens, ergibt sich eine sehr stabile Bauform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls.
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Eine erste bevorzugte Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls ist dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Trennplatten (2) und die mindestens eine innen liegende Distanzplatte (3') aus einem metallischen Material bestehen und durch Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen dergestalt miteinander verbunden sind, dass eine die erste Trennplatte (2) und innen liegende Distanzplatte (3') in Tiefenausdehnung (T) vollständig durchlaufende, die zweite Trennplatte (2) in Tiefenausdehnung (T) nicht vollständig durchlaufende Schweißstelle mit einer Breitenausdehnung (B) von 10 bis 90% der Kontaktfläche zwischen Trennplatten (2) und innen liegender Distanzplatte (3') ausgebildet ist.
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Eine alternative Ausführungsform dieser ersten bevorzugten Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei innen liegende Distanzplatten (3') und eine Trennplatte (2) aus einem metallischen Material bestehen und durch Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen dergestalt miteinander verbunden sind, dass eine entlang der Kante in Höhenausdehnung (H), die in Kontakt mit der Trennplatte (2) ist, der ersten innen liegenden Distanzplatte (3') in einem Winkel durch die gesamte Tiefenausdehnung der Trennplatte (2) bis in die zweite innen liegende Distanzplatte (3'), in der zweiten innen liegenden Distanzplatte (3') spitz zulaufende und diese nicht durchlaufende Schweißstelle ausgebildet ist, die die erste innen liegende Distanzplatte (3') an deren Kante in gesamter Höhenausdehnung (H) mit der Trennplatte (2) und die Trennplatte (2) mit der zweiten innen liegenden Distanzplatte (3') mit einer Breitenausdehnung (B) von 10 bis 90% der Kontaktfläche zwischen Trennplatten (2) und zweiter innen liegenden Distanzplatte (3') verbindet.
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Diese erste bevorzugte Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls ist besonders vorteilhaft, weil die durch die oben genannte Ausbildung eines festen Rahmens (10) in Form eines integrierten Gehäuses stabilisierte Struktur des Wärmeübertragermoduls damit im Inneren noch einmal eine zusätzliche Stabilisierung erfährt, die insbesondere fertigungstechnisch einfach darstellbar ist, da das Bauteil nur von einer Seite geschweißt werden muss.
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Die Distanzplatten (3, 3') und Querplatten (5) des erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls weisen üblicherweise eine Tiefenausdehnung (T) von 0,1 mm bis 100 mm, bevorzugt von 0,5 mm bis 8 mm, und besonders bevorzugt von 0,5 mm bis 5 mm auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die in der Breitenausdehnung (B) äußeren Distanzplatten (3) der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine größere Breitenausdehnung (B) auf als die übrigen, inneren Distanzplatten (3').
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In dieser bevorzugten Ausführungsform weisen die äußeren Distanzplatten (3) bevorzugt eine doppelt so große Breitenausdehnung (B) wie die übrigen Distanzplatten (3') auf, besonders bevorzugt beträgt die Breitenausdehnung der äußeren Distanzplatten (3) bis zum zwanzigfachen der Breitenausdehnung der übrigen, inneren Distanzplatten (3').
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Dies ist insbesondere vorteilhaft, da hierdurch der feste Rahmen (10) in Form eines integrierten Gehäuses besonders stabil wird und des Weiteren damit eine Materialstärke aufweist, die im Zuge späterer bevorzugter Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung das Ausarbeiten von Ausformungen nicht nur an Seiten der Begrenzungsplatten (6, 6') des Wärmeübertragermoduls, sondern auch an den übrigen vier Seiten und an allen Kanten des Wärmeübertragermoduls ermöglicht.
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In weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist das Wärmeübertragermodul dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den mindestens zwei Trennplatten (2) drei bis 51 Distanzplatten (3, 3') und zwischen Trennplatten (2) und/oder Begrenzungsplatten (6) zwei bis 21 Querplatten (5) vorhanden sind; bevorzugt sind bis zu fünftausendeinhundert Distanzplatten (3, 3') und wenigstens zweitausendeinhunderteinundzwanzig Querplatten (5) im gesamten Wärmeübertragermodul vorhanden.
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Da die Tiefenausdehnung (T) der Distanzplatten (3, 3') zwischen den mindestens zwei Trennplatten (2) zur Bildung einer Kanalreihe (1) konstant ist, sind Kanäle (4) einer Kanalreihe (1) in der Tiefenausdehnung (T) ebenfalls absolut gleich und es liegen damit konstante Strömungsbedingungen in jedem Kanal (4) vor.
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Der Abstand der Distanzplatten (3, 3') zueinander in einer Kanalreihe (1) beschreibt die Breite eines Kanals (4) in seiner Breitenausdehnung (B).
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In einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls sind in Querkanäle (7) Umlenkbleche (26) eingeschoben.
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Der gemäß der vorstehenden erfindungsgemäßen und bevorzugten Ausführungsformen offenbarte Aufbau des erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls bietet eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Dimensionierung von Verbindungsstellen, so dass eine Kanalreihe (1) des ersten Strömungsbereichs wenigstens zwei kleinste druckstabile Zellen hat.
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Insbesondere bei Wärmeübertragern und Reaktoren sind die verschiedenen fluiden Strömungsbereiche häufig mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt, so dass Kanäle mit geometrisch geringen Querschnitten schon bei kleinen Wanddicken hoch belastbar sind.
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In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls sind ebenso viele Kanäle (4) in einer Kanalreihe (1) durch Distanzplatten (3, 3') ausgebildet, wie Querkanäle (7) durch Querplatten (5) und die Distanzplatten (3, 3') und Querplatten (5) sind hinsichtlich Ihrer Dimension mit größter Raumausdehnung in die gleiche Raumrichtung orientiert angeordnet, so dass parallele Kanäle (4) und Querkanäle (7) entstehen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls sind die Kanäle (4) und Querkanäle (7) durch die Distanzplatten (3, 3') und Querplatten (5) so ausgestaltet, dass diese jeweils identische Querschnittsflächen zwischen den Trennplatten (2) und/oder Begrenzungsplatten (6) aufweisen.
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In einer Kombination der gerade ausgeführten bevorzugten Ausführungsform mit der alternativen Ausführungsform einer Orientierung in gleicher Raumrichtung ist das erfindungsgemäße Wärmeübertragermodul dadurch gekennzeichnet, dass die durch Distanzplatten (3, 3') und Querplatten (5) zwischen Trennplatten (2) und/oder Begrenzungsplatten (6) ausgestalteten Kanäle (4) und Querkanäle (7) zueinander parallel, aber versetzt verlaufen.
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Die weiteren, innen liegenden Distanzplatten (3') können wirtschaftlich mittels Ziehverfahren hergestellt werden, so dass es vorteilhaft sein kann, dass diese Distanzplatten (3') verschiedene Querschnitte haben können. Die Querschnittsformen der Distanzplatten (3') sind vier- oder rechteckig, es können aber auch die Schmalseiten der Distanzplatten (3') mit einem Radius (28) geformt sein. Spezielle Ausführungen haben keilförmige Ecken, um zum Beispiel eine federnde Spitze (29) auszubilden.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls sind, wenn sie in ihren Einzelteilen fest mit einander verbunden sind als massive Bauteile anzusehen, welche jeweils zwei voneinander räumlich getrennte Strömungsbereiche aufweisen. Diese Strömungsbereiche werden gebildet durch die Kanäle (4) einerseits und die Querkanäle (7) andererseits.
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Das Wärmeübertragermodulvolumen eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls wird gebildet aus dem Produkt der Höhenausdehnung (H) multipliziert mit der Breitenausdehnung (B) und Tiefenausdehnung (T) aller im Modul befindlichen Trenn- (2), Quer- (5), Distanz- (3, 3') und Begrenzungsplatten (6, 6'). Das Kanalvolumen ist das Volumen gebildet aus der Summe aller Volumina der in dem Wärmeübertragermodul befindlichen Kanäle (4) und Querkanäle (7). Der Hohlraumanteil eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls wird demnach aus dem Quotienten von Kanalvolumen durch Wärmeübertragermodulvolumen gebildet.
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Wärmeübertragermodule gemäß der vorliegenden Erfindung weisen üblicherweise einen Hohlraumanteil im Bereich von 0,1 bis 0,8, bevorzugt im Bereich von 0,25 bis 0,75, besonders bevorzugt im Bereich von 0,3 bis 0,6 auf.
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In einer bevorzugten Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung weisen die Begrenzungsplatten (6, 6') auf der den Querplatten (5) abgewandten Seite mindestens eine Ausformung auf und es sind mindestens zwei erfindungsgemäße Wärmeübertragermodule durch diese Ausformungen der Begrenzungsplatten (6, 6') formschlüssig miteinander verbunden.
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In einer gleichermaßen bevorzugten Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung weisen auch die in Höhenausdehnung (H) außen liegenden Seiten des ausgebildeten festen Rahmens (10) in Form eines Gehäuses Ausformungen auf.
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In noch einer gleichermaßen bevorzugten Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung weisen auch die in Breitenausdehnung (B) außen liegenden Seiten des ausgebildeten festen Rahmens (10) in Form eines Gehäuses Ausformungen auf, wobei diese Ausformungen üblicherweise an den Kanten der in Breitenausdehnung (B) außen liegenden Seiten ausgebildet sind.
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Gemäß der bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung weisen die Begrenzungsplatten (6, 6'), sowie die in Höhenausdehnung (H) außen liegenden Seiten des ausgebildeten festen Rahmens (10) und die in Breitenausdehnung (B) außen liegenden Seiten des ausgebildeten festen Rahmens (10) in Form eines Gehäuses positive und/oder negative Ausformungen (14, 15) auf, die eine formschlüssige Verbindung ermöglichen.
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Die gerade beschriebenen bevorzugten Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Wärmeübertragermodule sind besonders vorteilhaft, weil somit die erfindungsgemäßen Wärmeübertragermodule in einfacher Weise mehrfach durch Zusammenstecken von korrespondierenden Ausformungen in allen drei Raumrichtungen miteinander formschlüssig verbunden werden können, so dass ein Wärmeübertrager aus diesen erhalten wird.
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Ein aus mindestens zwei, bevorzugt mindestens vier, besonders bevorzugt mindestens acht über die jeweiligen Ausformungen in drei Raumrichtungen formschlüssig miteinander verbundenen Wärmeübertragermodulen zusammengesetzter Wärmeübertrager ist somit ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Bevorzugt ist die Tiefenausdehnung (T) der hervorstehenden positiven Ausformung (14) kleiner als die Tiefenausdehnung (T) der versenkten negativen Ausformung (15).
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Ein ebenfalls positiver Effekt, resultierend aus den positiven/negativen Ausformungen der Begrenzungsplatten (6, 6'), der in Höhenausdehnung (H) außen liegenden Seiten des ausgebildeten festen Rahmens (10) und der in Breitenausdehnung (B) außen liegenden Seiten des ausgebildeten festen Rahmens (10) in Form eines Gehäuses ist, dass sich die über diese Ausformungen (14, 15) formschlüssig miteinander verbundenen Begrenzungsplatten (6, 6') der mindestens zwei erfindungsgemäßen Wirmeübertragermodule gegeneinander mechanisch stabilisieren.
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Innerhalb der bevorzugten Weiterentwicklung können die über die Ausformungen formschlüssig miteinander verbundenen erfindungsgemäßen Wärmeübertragermodule zusätzlich auch noch auf den Kontaktflächen miteinander fest verbunden werden. Bevorzugt werden mindestens die über Ausformungen (14, 15) miteinander formschlüssig verbundenen Begrenzungsplatten (6, 6') auch noch auf ihren Kontaktflächen fest miteinander verbunden.
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In einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung kann ein Wärmeübertrager mit einem Rahmengehäuse (16), aufgebaut aus zwei Gehäuseplatten (17), die eine größere Breiten- (B) und Höhenausdehnung (H) aufweisen als die benachbarten Begrenzungsplatten (6, 6'), hergestellt sein, wobei die Gehäuseplatten (17) korrespondierende passende Konturen (14, 15) zu den Begrenzungsplatten (6, 6') mindestens eines eingebrachten Wärmeübertragermoduls besitzen und wobei zwischen den Gehäuseplatten (17) in Tiefenausdehnung (T) wenigstens zwei obere und zwei untere mit dem mindestens einem erfindungemäßen Wärmeübertragermodul und den inneren Flächen der Gehäuseplatten (17) verbundene Formstäbe (18) vorgesehen sind.
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Innerhalb dieser weiteren bevorzugten Weiterentwicklung ist die Querschnittsform der Formstäbe (18) rechteckig oder quadratisch und die außen liegenden Flächen der Formstäbe (18) sind an die maximalen Ausdehnungen der Gehäuseplatten (17) angepasst und mit den Gehäuseplatten (17) und dem mindestens einen erfindungemäßen Wärmeübertragermodul fest verbunden.
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Durch die vorstehend beschriebene Ausführungsform können zuleitende und ableitende Fluidbereiche des ersten und zweiten Strömungsbereichs getrennt werden und ein geschlossenes Rahmengehäuse (16) mit ebenen Außenflächen bei größtmöglicher Zugänglichkeit der Kanäle (4) und Querkanäle (7) entsteht, wobei das Rahmengehäuse (16) mit weiteren lösbaren und oder festen Zu-/Abführungen (12, 13) geschlossen werden kann.
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Eine weitere besonders bevorzugte Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung, ebenfalls umfassend vorgenanntes Rahmengehäuse (16) ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Wärmeübertragermodul gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Trenn- (2), Quer- (5), Distanz- (3, 3') und Begrenzungsplatten (6, 6') miteinander durch Löten fest miteinander verbunden sind und dass das dadurch gebildete mindestens eines Wärmeübertragermodul in ein Rahmengehäuse (16) eingebaut ist.
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Hierbei ist das Rahmengehäuse (16) bevorzugt aufgebaut aus durch mittels Schweißen fest miteinander verbundenen Gehäuseplatten (17) die besonders bevorzugt zusätzlich auch formschlüssig miteinander verbunden sind. Diese weitere bevorzugte Weiterentwicklung bildet damit einen weiteren erfindungsgemäßen Wärmeübertrager.
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Wärmeübertrager werden durch Strömungsverluste von zum Beispiel hochviskosen Stoffen vorwiegend mit einseitigem Druck in Hauptströmungsrichtung belastet, so dass eine Druckbeanspruchung auf formschlüssige Verbindungen eine Scherbelastung hervorruft. Die vorgenannten formschlüssigen Verbindungen nehmen überwiegend Druckkräfte über Scherbelastungen auf.
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Die gerade beschriebenen bevorzugten Weiterentwicklungen eignen sich somit in besonders vorteilhafter Weise für den Bau eines keramischen Wärmeübertragers, da die wesentlichen Kräfte durch die formschlüssige Verbindung aufgenommen werden, so dass die kontaktierenden keramischen Flächen nur verklebt werden müssen. Keramische Platten können mit geeigneten Klebstoffen verbunden und gleichzeitig abgedichtet werden, um einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager herzustellen.
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Innerhalb der vorstehend beschriebenen weiteren bevorzugten Weiterentwicklung sind bevorzugt korrespondierende positive und negative Ausformungen (14, 15) an Begrenzungsplatten (6, 6') und Gehäuseplatten (17) vorgesehen und wenigstens eine positive und/oder negative Ausformung nimmt in Summe einen Flächenanteil von bis zu 90%, bevorzugt einen Anteil bis zu 50% und besonders bevorzugt einen Flächenanteil bis zu 33%, bezogen auf die jeweilige Grundfläche der Begrenzungsplatte (6, 6'), einer Gehäuseplatte (17) oder eines Rahmengehäuses (16), ein.
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Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Gehäuseplatten (17) eine größere Flächenausdehnung aufweisen, als die Begrenzungsplatten (6, 6'), so dass sich die jeweiligen Flächenanteile der Ausformungen für diese Gehäuseplatten (17) gemäß der Flächenverhältnisse zwischen Gehäuseplatten (17) und Begrenzungsplatten (6, 6') verringern.
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Weiter bevorzugt ist die formschlüssige Verbindung der Begrenzungsplatten (6, 6') und der korrespondierenden benachbarten Gehäuseplatten (17), dadurch gekennzeichnet, dass Begrenzungsplatten (6, 6') und Gehäuseplatten (17) auf gemeinsamer Achse wenigstens eine Vertiefung in Ausgestaltung einer negativen Ausformung (15) aufweisen, und zwei benachbarte korrespondierende Ausformungen (15) zusammen einen Hohlraum bilden, der eine Scheibe (19) aufnehmen kann, der Hohlraum durch die Scheibe (19) gefüllt ist.
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Somit kann diese Scheibe in einfacher Weise als loses oder festes formschlüssiges Verbindungselement dienen.
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Somit werden formschlüssig verbundene erfindungsgemäße Wärmeübertragermodule und Gehäuseplatten (17) bevorzugt am äußeren Umfang der Kontaktflächen zusätzlich fest miteinander verbunden.
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Eine solche weitere äußere umlaufende feste Verbindung hat zusätzlich vorteilhafte dichtende Eigenschaften.
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Die Verwendung der Scheiben (19) zur formschlüssigen Verbindung bietet insbesondere Vorteile, da Begrenzungsplatten (6, 6') miteinander oder mit den Gehäuseplatten (17) dicht und fest verbunden sind, und eingesetzte Scheiben (19) vollständig eingeschlossen und vom Fluid isoliert sind. Das Einschließen entspricht einem Versiegeln, daher können die Scheiben (19) auch aus artfremden Werkstoffen mit höheren mechanischen Festigkeiten als die der Grundwerkstoffe, eingesetzt werden. Durch das vollständige Einschließen der Scheibe (19) ist zum Beispiel ein Korrosionsangriff ausgeschlossen.
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Die Formstäbe (18) dienen der Trennung der Strömungsbereiche und vermögen des Weiteren die erfindungsgemäßen Wärmeübertragermodule zu stützen und auftretende Kräfte aufzunehmen. Vorteilhaft ist es, wenn Formstäbe (18) und Gehäuseplatten (17) formschlüssig miteinander verbunden sind und die festen Verbindungen nur eine Dichtfunktion übernehmen.
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Die Formstäbe (18) können auch als Winkelformstäbe (20) ausgeführt sein.
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Bevorzugt sind solche Winkelformstäbe (20), dadurch gekennzeichnet, dass diese die Querschnittsfläche eines Winkels aufweisen. Besonders bevorzugt sind die Schenkellängen und Schenkeldicken der Winkelformstäbe (20) unterschiedlich ausgebildet.
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Hierdurch lässt sich in einfacher Weise eine Anpassung an die funktionellen Aufgaben vorsehen und eine besonders vorteilhafte Stützfunktion der Winkelformstäbe entsteht.
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Die Formstäbe (18) und/oder Winkelformstäbe (20) können auch beidseitig Ausformungen in Form von Zapfen und/oder Zylindern (21) aufweisen, die in vorgesehene Öffnungen oder Bohrungen (22) der Gehäuseplatten (17) teilweise oder vorzugsweise vollständig hineinragen.
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Hierdurch entsteht wiederum eine vorteilhafte formschlüssige Verbindung mit den Gehäuseplatten (17).
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Die Querschnittsform der Zapfen und/oder Zylinder (21) kann rund oder mit Kanten versehen sein. Vorzugsweise ist sie aber vier- oder rechteckig.
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Die vier- oder rechteckige Ausführung ist besonders vorteilhaft, weil damit die Formstäbe (18) und/oder Winkelformstäbe (20) verdrehsicher eingebaut sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Wärmeübertrager mehrere einzelne Wärmeübertragermodule mit Begrenzungsplatten (6, 6'), die Ausformungen (14, 15) aufweisen und mit denen Füllstücke (23) formschlüssig verbunden sind, womit die Vorrichtung in ein umschließendes Rohrgehäuse (24) eingebaut ist.
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Hierbei wird bevorzugt ein erster Strömungs- und Druckbereich mit einer oberen und unteren Randplatte (25) im Innenraum des Rohrgehäuses (24) abgetrennt.
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In einer letzten bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung sind in den Kanälen (4) und/oder Querkanälen (7) mindestens ein fester oder lösbarer Einsatz eingebracht.
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Solche Einsätze können auch flache einteilige oder mehrteilige Statikmischer sein. Die Einsätze können nur einen Teil eines Kanals (
4) oder Querkanals (
7) einnehmen, oder sich über dessen jeweilige gesamte Länge erstrecken. Nicht abschließende Beispiele für mögliche Einsätze in Form von Statikmischern sind in der
EP 0 980 703 A1 , der
EP 1 123 730 A2 , oder der
EP 1 216 747 A1 beschrieben. Alternativ können auch einfache, z. B. metallische Filze, Drähte oder Fliese als Einsätze in Form von Statikmischern verwendet werden.
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Die Einsätze erzeugen in vorteilhafter Weise eine zwangsgeführte Strömung und gleichzeitig erhöhte Turbulenz und führen somit zu einem besseren Wärmeübergang.
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Solche Einsätze können für die Ausführung von chemischen Reaktionen auch einen Katalysator umfassen. Beispielsweise können diese mit einem Katalysator beschichtet sein oder gänzlich aus einem Katalysatormaterial bestehen.
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In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, dass einzelne Bestandteile, wie etwa die Distanzplatten (3, 3'), Querplatten (5) und/oder Trennplatten (2) aus einem, für eine in dem Wärmeübertragermodul ausgeführte chemische Reaktion, aus katalytischem Material bestehen oder mit einem solchen beschichtet sind.
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Allgemein kann aufgrund der erfinderischen formschlüssigen Konturen sowie den speziellen festen Verbindungen, auf einfache und wirtschaftliche Weise eine wesentliche Versteifung und hohe Druckbeständigkeit des aus mindestens einem Wärmeübertragermodul erhaltenen Wärmeübertragers erzielt werden, so dass der Einsatzbereich bei Drücken bis größer 300 bar und hohen Temperaturen bis zu 800°C möglich ist.
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Das erfindungsgemäße Wärmeübertragermodul und die aus diesem erhaltenen Wärmeübertrager können zur Ausführung aller Wärmeübertragungsverfahren verwendet werden.
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Bevorzugt findet der erfindungsgemäße Wärmeübertrager Verwendung als Reaktor für Verfahren, in denen aufgrund stark exothermer oder endothermer Reaktionen schnell Wärme abgeführt oder zugeführt werden soll.
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Bevorzugte Verwendungen des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers gemäß der vorliegenden Erfindung sind solche betreffend Verfahren zur Oxidation, Reduktion, Hydrierung, Polymerisation, Chlorierung, Nitrierung, Sulfitierung, Aminierung und/oder Phosgenierung.
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Die vorgenannten Verfahren sind insbesondere Verfahren mit einer üblicherweise hohen endothermen oder exothermen Wärmetönung, so dass sich hier die vorteilhaften Wärmeübergangseigenschaften der Erfindung besonders vorteilhaft auswirken.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen und Beispielen näher erläutert, ohne sie jedoch hierauf zu beschränken.
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Bezugszeichenliste
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- H
- Höhenausdehnung
- B
- Breitenausdehnung
- T
- Tiefenausdehnung
- 1
- Kanalreihe
- 2
- Trennplatte
- 3, 3'
- Distanzplatte
- 4
- Kanäle
- 5
- Querplatte
- 6, 6'
- Begrenzungsplatte
- 7
- Querkanal
- 8
- Kontaktbreite
- 9
- Verbindungsbreite parallel zur Kontaktfläche
- 9'
- Verbindungsbreite durch die Plattendicke
- 10
- fester Rahmen in Form eines integrierten Gehäuses
- 11
- Wärmeübertragermodul
- 12
- Zuführung/Abführung für den zweiten Strömungsbereich
- 13
- Zuführung/Abführung für den ersten Strömungsbereich
- 14
- Erhabene positive Ausformung
- 15
- Versenkte negative Ausformung
- 16
- Rahmengehäuse
- 17
- Gehäuseplatten
- 18
- Unterer und oberer Formstab
- 19
- Scheibe
- 20
- Winkelformstab
- 21
- Zapfen/Zylinder
- 22
- Öffnungen der Gehäuseplatten/Bohrungen
- 23
- Füllstücke
- 24
- Rohrgehäuse
- 25
- Randplatte
- 26
- Umlenkblech
- 28
- Radius
- 29
- Federnde Spitze der Distanzplatten
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Die Figuren zeigen:
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1 Teilweise Darstellung einer Kanalreihe mit Querkanal und Gehäuseplatte
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2 Wärmeübertrager in Schnittdarstellung mit integriertem Gehäuse
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2a Wärmeübertragermodul in Teilansicht mit Querkanälen in Schnittdarstellung
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2b Einzelner Kanal
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3 Wärmeübertrager mit Wärmeübertragermodul in Rahmengehäuse mit Zuführung/Abführung
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3a Schnittdarstellung zweier Wärmeübertragermodule und Gehäuseplatten mit positiven und negativen Ausformungen
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4 Formstab mit rechtwinkeliger Querschnittsfläche
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4a, 4b Teilansicht der formschlüssigen Verbindung zwischen Formstab mit Zapfen und Gehäuseplatte
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5, 5a Verschiedene formschlüssige Verbindungen der einzelnen Wärmeübertragermodule
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6, 6a, 6b Unterschiedliche Formen der Distanzplatten
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7 Spezielle Formen der Distanzplatte mit federnder Kantenspitze
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8, 8a Wärmeübertrager mit Wärmeübertragermodul in Rohrgehäuse
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9, 9a unterschiedliche Formen von Umlenkblechen
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Beispiele:
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Beispiel 1
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In den 1, 2, 2a und 2b wird der Aufbau eines Wärmeübertragermoduls (11) dargestellt. In der 1 ist eine perspektivische Teildarstellung gewählt, um die Position der einzelnen Platten, insbesondere von der Kanalreihe (1) zu zeigen. In der 2 ist ein Wärmeübertragermodul (11) in einer Schnittdarstellung gezeigt, so dass verschiedene Strömungsbereiche gut zu erkennen sind. Des Weiteren sind die Verbindungsstellen durch unterschiedliche Verbindungstiefen gezeigt, um unabhängige Strömungs- und Druckbereiche zu bilden. Die 2a ist eine Schnittdarstellung aus der 2 und zeigt im Wesentlichen eine halbe Höhenausdehnung (H) des Wärmeübertragermoduls (11) und die Querkanäle (7) in Form von schlitzartigen vertikalen Kanälen.
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In 1 und 2 ist die Kanalreihe (1) deutlich zu erkennen, die in Breitenausdehnung (B) verläuft. Die Kanalreihe (1) setzt sich zusammen aus zwei parallel angeordneten Trennplatten (2), die durch Distanzplatten (3, 3') auf Abstand gebracht sind und mit einer beispielsweise Laserschweißnaht mit der Verbindungsbreite (9') im Innern verbunden sind. Die Verbindungsbreite (9') ist in 2 dargestellt und als Schweißnaht so gelegt, dass sie durch die Materialdicke der zwei Trennplatten (2) und der dazwischen liegenden Distanzplatten (3, 3') verlauft, ohne jedoch im Tiefpunkt der Schweißnaht aus der Blechdicke der Trennplatte (2) herauszutreten. Die Verbindungsbreite (9') verläuft über die vollständige Höhenausdehnung (H) und Länge der Distanzplatten (3, 3').
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In der 2 ist gezeigt, dass die Breitenausdehnung (B) der Trennplatten (2) so ausgeprägt ist, dass die entstehende Lücke zwischen einer linken und rechten auf Abstand gebrachten Distanzplatte (3, 3') einen Kanal (4) bildet, der durch die Wandstärke der Trennplatten (2) und jeweils halber zugehöriger linker und rechter Distanzplatte (3, 3') eine umlaufende konstante Materialstärke beschreibt.
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In 2b ist der gebildete druckstabile Kanal (4) dargestellt, so dass in Folge alle Kanäle (4) einer Kanalreihe (1) den auftretenden Strömungs- und Druckbelastungen standhalten. Insbesondere ist die Verbindungsbreite der Distanzplatte (3') gezeichnet, dabei ist erkennbar, dass die halbe Breite der Distanzplatte (3') zum linken Kanal und die andere Hälfte der Distanzplattenbreite zum rechten Kanal gehört.
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Bei sehr hohen Druckbelastungen im Kanal, können aufgrund der insbesondere geringen Kanalbreiten die Dicke der Trennplatten (2) und die Breiten der Distanzplatten (3, 3') verändert werden, so dass Kanäle (4) und Kanalreihe (1) den prozessspezifischen Belastungen standhalten. Der Strömungsbereich der Kanäle ist der erste Strömungs- und Druckbereich.
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In der Höhenausdehnung (H) beider Trennplatten (2) sind im oberen und unteren Abschnitt Querplatten (5) positioniert, so dass in der gezeigten 1 in der Tiefenausdehnung (T) rechts eine dicke Begrenzungsplatte (6) positioniert ist und ein Querkanal (7) gebildet wird. Auch auf der linken Seite der Kanalreihe (1) sind Querplatten (5) befestigt, so dass links zur Tiefenausdehnung eine weitere Kanalreihe (1), in der 1 nicht dargestellt, angesetzt werden kann, um auch den linken Querkanal (7) zu schließen.
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Die Kontaktstellen der Trennplatten (2) und Querplatten (5) sind in 2 und 2a dargestellt, sie haben eine flächige Kontaktbreite (8) und werden mit der kleineren Verbindungsbreite (9) direkt im Kontaktbereich der Platten schweißtechnisch verbunden, wobei die Verbindungen eine Länge haben, die der vollständigen Breitenausdehnung (B) entspricht. Gleiches Verbindungsvorgehen erfolgt an den Kontaktstellen zwischen außen liegender Distanzplatte (3) und den linken und rechten Trennplatten (2) über die vollständige Höhenausdehnung (H) der Platten.
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Im Zusammenhang, 1 und 2, der Positionierung einer Vielzahl von Trenn- (2), Distanz- (3), Quer- (5) und Begrenzungsplatten (6, 6'), sowie den Verbindungsflächen und insbesondere den dickeren äußeren Begrenzungsplatten (6, 6') ist es möglich einen Rahmen in Form eines integrierten Gehäuses (10) für das Wärmeübertragermodul (11) bereitzustellen, das aus den Einzelbestandteilen gebildet wird.
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In der 2 ist zu erkennen, dass die Verbindungsbreite (9) der Dicke der Begrenzungsplatte (6) entspricht, und in der 2a die Verbindungsbreite zwischen Querkanal (5) und äußeren Trennplatten (2) der Kanalreihe (1) ebenfalls der Dicke der Begrenzungsplatte (6) entspricht, so dass bei der räumlichen Betrachtung des Wärmeübertragermoduls (11) auf allen sechs Seiten mit einer homogenen gleichmäßigen dicken Wandstärke gerechnet werden kann und ein integriertes Gehäuse (10) entstanden ist.
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Daher ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn Verbindungsverfahren gewählt werden, die keine zusätzlichen Schweißzusatzstoffe benötigen, so dass auch an den Verbindungsstellen gleichartiges Material mit konstanten Festigkeitswerten vorhanden ist.
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In 2 ist aufgrund des festen Rahmens in Form eines integrierten Gehäuses (10) des Wärmeübertragermoduls (11) beispielhaft und stellvertretend eine einzelne Zuführung (12) dargestellt, die in der 2 den zuführenden Abschnitt des zweiten Strömungs- und Druckbereichs verschließt. Es ist vorstellbar, dass alle vier Seiten des Wärmeübertragermoduls (11) mit lösbaren oder festen Zu-/Abführungen ausgestattet sind, um eine Wärmeübertragung zwischen zwei Fluiden zu ermöglichen. Werden grundsätzlich lösbare Zu-/Abführungen (12, 13) verwendet, so sind alle fluidführenden Kanäle zugänglich.
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In 3 und 3a ist die weitere Ausgestaltung der Wärmeübertragermodule (11) dargestellt. In 3a ist zu erkennen, dass die Begrenzungsplatten (6) mit erhabenen positiven Konturen (14) und die Begrenzungsplatte (6') mit versenkten negativen Konturen (15) versehen sind. Die Konturen (14, 15) befinden sich auf einer gedachten, nicht eingezeichneten gemeinsamen Achse, so dass zwei Wärmeübertragermodule direkt aneinander gesetzt werden können, die Konturen (14, 15) der Begrenzungsplatten (6, 6') ineinander greifen und eine formschlüssige Verbindung schaffen.
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Durch die formschlüssige Verbindung können hohe Querkräfte aufgenommen werden, so dass mehrere nebeneinander positionierte Wärmeübertragermodule (11) große Anströmflächen mit einer großen Anzahl von kleinen Kanälen (4) und kleinen Querkanälen (7) für die Durchströmung mit Fluiden bieten können. Insbesondere wird die Aufnahme von Querkräften erhöht, wenn sich auf jeder Fläche der Begrenzungsplatten (6, 6') mehrere positive und oder negative Konturen (14, 15) befinden.
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Der systematische Aufbau eines größeren Wärmeübertragers wird möglich, wenn an vielen Außenflächen der Wärmeübertragermodule (11) Konturen (14, 15) für eine zweidimensionale und oder dreidimensionale Vergrößerung vorgesehen sind.
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Werden mehrere Wärmeübertragermodule (11) mit formschlüssigen Konturen (14, 15) zum Bau eines großen Wärmeübertragers verwendet ist ein Rahmengehäuse (16) notwendig. Das Rahmengehäuse (16) setzt sich aus flächenmäßig vergrößerten Gehäuseplatten (17) und aus verbindenden unteren und oberen Formstäben (18) zusammen.
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Zwei untere und zwei obere Formstäbe sind mit den beiden Gehäuseplatten (17) fest verbunden, die Verbindungen erstrecken sich auch auf die Begrenzungsplatten (6, 6') und auf die in Tiefenausdehnung (T) unteren und oberen Kanten der Wärmeübertragermodule (11), so dass ein Rahmengehäuse (16) entsteht und gleichzeitig unterschiedliche Strömungs- und Druckbereiche getrennt werden. Die Verbindungsstellen der Formstäbe (18) zum Wärmeübertragermodul (11) sind in 3 und die Verbindungsstellen der Formstäbe (18) zu den Gehäuseplatten (17) sind in einem Teilschnitt der 3a gezeigt.
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In beiden Figuren ist zu erkennen, dass die Kanäle (4) und Querkanäle (7) der zuführenden und ableitenden Strömungs- und Druckbereiche vollständig frei und somit zugänglich sind, wenn lösbare Adapter (12, 13) mit dem Rahmengehäuse (16) verbunden werden.
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In der 3 sind Querkanäle nicht zu erkennen, jedoch sind Querplatten (5) im oberen und unteren Kanalabschnitt gestrichelt eingezeichnet, so dass der Querkanal (7) angedeutet ist.
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Beispiel 2
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In 4 ist der Querschnitt eines Winkelformstabes (20) dargestellt, dessen Querschnittsfläche rechtwinklig und die Schenkellänge unterschiedlich lang ist, um ein Wärmeübertragermodul (11) über die Tiefenausdehnung (T), insbesondere an den äußeren Distanzplatten (3) teilweise zu umschließen und dadurch eine Stützfunktion der Wärmeübertragermodule (11) zu übernehmen. Die örtlichen Verbindungen zwischen Winkelformstab (20) und Kanten des Wärmeübertragermoduls (11), hier dargestellt mit der Distanzplatte (3), können vergrößert werden.
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In der 4a und 4b, ist der Winkelformstab (20) beidseitig mit einem Zapfen (21) verlängert, so dass der Zapfen formschlüssig in eine Öffnung (22) der Gehäuseplatte ragt. In 4b ragt der Zapfen (21) vollständig in die Gehäuseplatte (17) des Gehäuses (16) und ist beispielsweise außerhalb mit der Gehäuseplatte fest verbunden.
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Beispiel 3
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In der 5 und 5a sind formschlüssige Verbindungen über die Ausformungen (14, 15) der Begrenzungsplatten (6, 6') untereinander dargestellt. Die formschlüssige Verbindungstechnik lässt sich auf Bauteile des Gehäuses mit übertragen. Eine Variante ist in 5a gezeichnet, dort erfolgt die formschlüssige Verbindung durch das Einsetzen von beispielsweise einer Scheibe (19), so dass alle Begrenzungsplatten eines Wärmeübertragermoduls (11) gleich sind.
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Beispiel 4
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In den 6 und 6b sind beispielhaft unterschiedliche Querschnittsformen der Distanzplatten (3, 3') dargestellt, wobei im Vergleich die Dicke der Distanzplatten konstant gehalten ist. Die speziellen Querschnitte der Distanzplatten, insbesondere die in 6a und 6b dargstellten, mit beidseitigem oder einseitigem Radius (28), können durch wirtschaftliche Ziehverfahren sehr genau gefertigt werden.
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In 7 ist eine weitere spezielle Ausgestaltung der Distanzplatten dargestellt, insbesondere sind an den kanalseitigen Kanten der Distanzplatten federnde Spitzen (29) angeformt, so dass beim Zusammenpressen der Platten der Kanalreihe die federnden Spitzen sich besonders gut an die Oberfläche der Trennplatte (2) legt und eine hohe Dichtfunktion ausübt.
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Beispiel 5
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Eine andere beispielhafte Ausführung ist in den 8 und 8a dargestellt, hier ist die Ausführung eines Wärmeübertragers mit Rohrgehäuse (24) gezeigt. In 8 ist beispielsweise ein Wärmeübertragermodul (11) mit geöffnetem Querkanal (7) gezeichnet. Das Wärmeübertragermodul (11) ist oberhalb und unterhalb mittels Randplatten (25) gehalten, dazu sind die Randplatten im Zentrum geöffnet, um den ersten Strömungs- und Druckbereich zugänglich zu machen. Wärmeübertragermodule (11) in Rohrgehäusen (24) benötigen Füllstücke (23), die beispielhaft wie dargestellt mit positiven und negativen Konturen (14, 15) versehen sind, um eine fortlaufende formschlüssige Verbindungstechnik bis zur inneren Wand des Rohrgehäuses (24) und damit eine Kraftübertragung zu ermöglichen. Wärmeübertragermodul (11), Randplatten (25) und Rohrgehäuse (24) sind miteinander unlösbar durch beispielsweise manuelle Schweißung verbunden. Das Rohrgehäuse ist beispielsweise in der Höhenausdehnung für die Zuführung und Ableitung der Fluide des zweiten Strömungs- und Druckbereichs mit zwei seitlichen Zuführungen (12) ausgestattet. Oberhalb und unterhalb des Rohrgehäuses sind lösbare Abführungen (13) für den ersten Strömungsbereich angeordnet. Die Kanalreihe (1) mit Kanälen (4) sind gestrichelt in vollständiger Höhenausdehnung dargestellt. Wenn die Kanäle (4) des Wärmeübertragermoduls in Durchströmrichtung sehr lang sind, so kann im Querkanal (7) bzw. in allen Querkanälen eines Wärmeübertragers beispielsweise ein gemeinsames Umlenkblech (26) eingesetzt werden, so dass das Fluid den Querkanal in wechselnder Richtung durchströmt und aus Sicht der Kanalströmung eine Gegenstromfahrweise möglich wird.
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8a zeigt eine Schnittdarstellung des Wärmeübertragers mit Rohrgehäuse, es ist das Wärmeübertragermodul (11) mit Kanälen (4) und die beiden Füllstücke (23) mit positiver und negativer Kontur zum Wärmeübertragermodul und gerundeter Außenform zum Rundgehäuse zu erkennen. Des Weiteren ist das Umlenkblech (26) mit den Kammzähnen zu erkennen, die durch den Querkanal (7) verlaufen und leicht über den Wärmeübertrager ragen.
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In 9 und 9a sind unterschiedliche Formen von Umlenkblechen (26) mit dargestellt.
