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Wärmetauscher mit vielen, Strömungskammern bildenden gewellten gleichen
Ringscheiben Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit vielen, Strömungskammern
bildenden gewellten gleichen Ringscheiben, die paarweise unter Einlegen einer Zwischenscheibe
spiegelbildlich zueinander aufeinandergelegt und abwechsend an den Innen- und den
Außenrändern dicht miteinander verbunden sind.
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Bei einer bekannten Ausführungsform eines derartigen Plattenwärmetauschers
ist innerhalb eines Rührgefäßes ein Block von Gußplatten angeordnet, die mit Rillen
versehen sind, die konzentrisch mit radialen Verbindungen oder spiralförmig angeordnet
sind und gegeneinander unter Zwischenlage von geraden Blechplatten mit entsprechenden
Öffnungen mittels Schrauben starr verbunden sind. Die Konstruktion ist daher verhältnismäßig
schwer, starr und aufwendig. In den Rillen der Platten strömt nur das eine der wärmeaustauschenden
Medien, während das andere ungeführt außerhalb der Platten nur im Rührgefäß umgewälzt
wird. Die Konstruktion ist in erster Linie nach dem Gesichtspunkt der leichten Reinigungsmöglichkeiten
durchgeführt worden, wozu eine einfache Demontage möglich sein muß. Ein optimaler
Wärmeaustauscheffekt ist mit dieser Konstruktion nicht erzielbar.
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Es sind auch Plattenwärmetauscher bekannt, die aus ebenen rechteckigen
Platten und Rahmen mit entsprechenden Öffnungen aufgebaut sind. Platten und Rahmen
sind dabei unter Zwischenlage von Dichtungen zu einem Block zusammengeschraubt.
Die Bearbeitung der ebenen starren Rahmen, um eine gute Abdichtung zu erzielen ist
verhältnismäßig aufwendig. Die ebenen Platten sind dabei sehr druckempfindlich,
so daß dies Wärmetauscher für größere Druckunterschiede zwischen den einzelnen Medien
nicht geeignet sind. Die Abdichtung der einzelnen Teile mittels elastischer Dichtungsmittel
ist insbesondere bei tiefen Temperaturen kaum möglich. Bei den in Betracht gezogenen
Ausführungsformen sind sämtliche Kammern in beiden Richtungen abwechselnd durchströmt,
so daß es sich um ausgesprochene Gegenstromwärmetauscher handelt. Für eine Ausführungsform
ist der Einbau von die ebenen Platten stützenden, in den Rahmen eingebauten Stützrostsystemen
beschrieben, die gleichzeitig zur Festlegung eines günstigen Strömungswegs dienen
können.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Plattenwärmetauscher
zu entwickeln, bei dem auch unter größerem Druckunterschied zwischen den wärmetauschenden
Medien keine Dichtungsschwierigkeiten auftreten, insbesondere auch nicht bei tiefen
Temperaturen. Der Wärmetauscher soll aus leichten und einfachen Serienteilen mit
geringstmöglichem Materialverbrauch für günstige, beherrschbare Strömungsgeschwindigkeiten
der wärmetauschenden Medien und somit für optimalen Austauscheffekt gebaut sein.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelang durch Ausbildung eines Wärmetauschers
mit vielen Strömungskammern bildenden gewellten gleichen Ringscheiben, die paarweise
unter Einlegen einer Zwischenscheibe spiegelbildlich zueinander aufeinandergelegt
und abwechselnd an den Innen- und den Außenrändern dicht miteinander verbunden sind,
dadurch, daß bei jeder Ringscheibe der Außenrand in einer Ebene und der Innenrand
in einer anderen Ebene liegt, so daß diese Ringscheiben ringfederartig aufeinanderliegen,
und daß die Zu- und Abführungen für eines oder mehrere Strömungsmittel im Zentrum
der Ringscheiben und für das andere oder die anderen Strömungsmittel am Rand der
Ringscheiben vorgesehen ist, wobei die hierfür nötigen Umkehrungen für die Strömungsmittel
in der Weise ausgebildet sind, daß große Zwischenscheiben mit ihrem inneren Rand
und kleine Zwischenscheiben mit ihrem äußeren Rand jeweils nicht ganz bis an die
dichtverundenen Ränder der beiden benachbarten Ringscheiben heranreichen bzw. entsprechende
Umkehröffnungen frei lassen.
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Dabei sind nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Zu- bzw.
Abführungsöffnungen im Zentrum der kleinen Zwischenscheiben und am äußeren Rand
der großen Zwischenscheiben je für sich zu einem Zu- bzw. Abfiußleitungssystem für
die in Wärmeaustausch miteinander zu bringenden Medien zusammengeschlossen, wobei
für das innere und das äußere Leitungssystem je mindestens zwei inan sich
bekannter
Weise achsparallele Kanäle vorgesehen und die Zu- bzw. Abführungsöffnungen teils
parallel, teils hintereinandergeschaltet sind.
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Ferner ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung
charakterisiert durch große Ringe in Verbindung mit den dicht verbundenen äußeren
Rändern je zweier Ringscheiben und kleine Ringe in Verbindung mit den dicht verbundenen
inneren Rändern je zweier Ringscheiben, wobei die Ringe jeweils an einen äußeren
und einen inneren Zylindermantel anschließen und am Rand Ausschnitte mit abgewinkelten
Randteilen aufweisen, die das erforderliche Kanalsystem bilden. Durch diese Konstruktionsmerkmale
ergibt sich der Vorteil, daß die Strömungsquerschnitt;. für die wärmeaustauschenden
Medien durch wahlweise Parallelschaltung von mehr oder weniger hintereinandergeschalteten
Strömungskammern dem sich bei Temperaturänderungen im Verlauf des Wärmeaustauschs
ändernden Volumen. insbesondere gasförmiger Medien angepreßt werden können. Hierzu
müssen lediglich die verschiedenen Ringe in entsprechender Weise mit Ausschnitten
und abgewinkelten Randteilen versehen und eingesetzt werden.
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Eine besonders vorteilhafte Lösung ergibt der Zusammenbau von fünf
Typen von Ringscheiben der folgenden Art: a) Als obere und untere Wand der einzelnen
Strömungskammern dienende, glatt berandete Ringscheiben, insbesondere Kreisringscheiben;
b) als Zwischenwand für die äußeren Strömungskammern dienende, ebene Ringscheiben,
vorzugsweise Kreisringscheiben, welche innen glatt berandet und außen an den äußeren
Zylinder teilweise anschließend mit einer Mehrzahl von Ausschnitten versehen sind;
c) innen glatt berandete, an die äußeren Ränder der Ringscheiben dicht anschließende
Ring-Scheiben, vorzugsweise Kreisringscheiben, welche außen teilweise an den äußeren
Mantel anschließen und mit einer Mehrzahl von Ausschnitten versehen sind, die von
Ausschnitt zu Ausschnitt abwechselnd nach oben und unten Gerichtete Abwinkelungen
aufweisen, deren Ränder auf die Ränder der Ausschnitte der Zwischenwandringscheiben
passen; d) als Zwischenwand für die inneren Strömungskammern dienende ebene Ringscheiben,
vorzugsweise Kreisringscheiben, die außen glatt berandet und innen teilweise an
den inneren Zylinder anschließend mit einer Mehrzahl von Ausschnitten versehen sind;
e) außen glatt berandete, an die inneren Ränder der Ringscheiben dicht anschließende
Ringscheiben, vorzugsweise Kreisringscheiben, deren innerer Rand teilweise am inneren
Zylinder anschließend mit einer Mehrzahl von Ausschnitten versehen ist, die von
Ausschnitt zu Ausschnitt abwechselnd nach oben und unten gerichtete Abwinkelungen
aufweisen, deren Ränder auf die Ränder der Ausschnitte der Zwischenwandringscheiben
passen.
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Ferner ist es nach der Erfindung wesentlich, daß die Ringscheibenelemente
sich gegenseitig unter Zwischenlage der Zwischenscheiben abstützen, um mit geringstem
Materialaufwand eine druckfeste Bauart zu erzielen. Deshalb sind die als Wände der
Strömungskammern dienenden Ringscheiben mit Führungsrillen versehen, die zur Abstützung
der Ringscheiben und Zwischenscheiben aufeinander dienen.
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Um günstige Strömungsverhältnisse zu erzielen, erstrecken sich die
Führungsrillen vom inneren zum äußeren Rand der Ringscheiben und besitzen einen
gleichmäßigen Durchströmungsquerschnitt. Dabei ergibt sich die sogenannte »Evolventenform«
der Rillen. Die evolventenförmigen Rillen stützen sich entsprechend ihrer spiegelbildlichen
Anordnung überschneidend dabei gegenseitig an einer Vielzahl von Punkten ab.
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Schließlich können nach der Erfindung unter Umständen mit Vorteil
in mindestens einem Teil der Strömungskammern in an sich bekannter Weise Wärme-
bzw. Kältespeichermassen angeordnet sein. Dabei gelingt es z. B. trotz zeitlicher
Versetzung der Durchströmung des Austauschers zwischen den einzelnen Medien einen
günstigen Wärmeaustausch zu erzielen.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion ist die
Ermöglichung einer serienmäßigen Fabrikation aller Einzelteile des Wärmetauschers,
aus denen dann bei geringstem Materialaufwand Wärmetauscher für die verschiedensten
Bedarfsfälle für optimale Arbeitsbedingungen zusammengebaut werden können.
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An Hand von Zeichnungen, in denen eine Ausführungsform der Einrichtung
nach der Erfindung beispielsweise dargestellt ist, sei der Erfindungsgedanke näher
erläutert.
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Die F i g. 1 bis 5 zeigen die fünf mindestens notwendigen Grundformen
der Blechscheiben je im Auf-und Grundriß.
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In F i g. 6 ist der Gesamtaufbau des Wärmeaustauschers in perspektivischer
Darstellung gezeichnet, und zwar in aufgeschnittenem Zustande, wobei ein Sektor
des ganzen Aufbaus und darüber hinaus je ein Segment der äußeren und der inneren
Zylindermantelumhüllung der einzelnen Kammern entfernt sind, damit man in das Innere
des Aufbaus hineinsehen kann.
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Die beispielsweise aus Wellblech hergestellten Ringscheiben a nach
F i g. 1 sind in dieser Zeichnung vereinfacht - und zwar nur schematisch - dargestellt.
Die Wellungen sind weggelassen und durch eine gedachte Mittellinie ersetzt. die
in der Zeichnung voll ausgezogen ist.
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In F i g. 1 ist eine Ringscheibe a dargestellt, die beispielsweise
aus Blech in einem Stück gepreßt ist. Es wird nicht die ganze Ringscheibe gewellt,
sondern innen und außen bleibt je ein Rand bestehen. Beide Ränder befinden sich
in zwei verschiedenen Ebenen. Auf diese Scheibe a wird spiegelbildlich dazu eine
zweite Scheibe a gesetzt. Die nächste Scheibe a wird wieder zur letzteren
spiegelbildlich angeordnet. Es entsteht auf diese Weise ein zieharmonikaartiges
Gebilde, in dem als Flächen, an denen sich je zwei Scheiben a berühren, abwechselnd
je zwei äußere und zwei innere Ränder dienen.
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An den Berührungsrändern werden je zwei Ringscheiben a dicht miteinander
verbunden, z. B. verklebt, gefalzt und,/oder verschweißt, so daß also sämtliche
Ringscheiben lampionartig aneinanderhängen.
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Durch die Wellungen bzw. Riefelungen 1 wird erzielt, daß die jeweils
benachbarten Bleche in einem gewissen Abstand aufeinander aufliegen. Gleichzeitig
dienen
die Riefelungen dazu, eine geeignete, gleichmäßige Strömung der Flüssigkeit durch
die einzelnen Kammern zu gewährleisten und die Wärmeaustauschfläche zu erhöhen.
Es entstehen auf diese Weise zwei gegeneinander abgeschlossene Systeme von aufeinandergeschichteten
Kammern.
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In F i g. 2 ist die als Zwischenringwand dienende Blechform dargestellt.
Diese Bleche b befinden sich jeweils zwischen zwei benachbarten Blechen a gemäß
der F i g. 1 und unterteilen die aus diesen gebildeten Strömungskammern in zwei
Teilkammern. Bei dieser Kammeranordnung, welche aus zwei Blechen a gemäß F i g.
1 und einem dazwischengelegten Blech b gemäß F i g. 2 zusammengesetzt ist, ist der
innere Rand der beiden Bleche a, der mit 2 bezeichnet ist, Verschweißt, während
die beiden Ränder 3 einen durch die Riefelungen 1 gegebenen Abstand voneinander
haben. Die am Blech b befindlichen Laschen 4 ragen über den Rand 3 hinaus und lassen
zwischen sich die Lücken 5 frei. Auf den äußeren Rand 3 jedes Bleches a wird ein
Ring c gemäß F i g. 3 aufgelegt, dessen abwechselnd nach oben und nach unten sich
erstreckende Abwinkelungen 6 und 7 mit ihren Rändern auf die Ränder der Lücken 5
der Scheiben b passen und miteinander sowie mit den Laschen 4 der Scheiben b und
den Laschen 8 der Ringe c zusammen ein System senkrechter bzw. achsparalleler Kanäle
ergeben, die in F i g. 6 mit I und II bezeichnet sind. Nach außen sind die schachtartigen
Kanäle durch den gemeinsamen Zylindermantel 9 abgeschlossen.
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Die abgewinkelten Bleche c können nun entweder in der Weise, wie sie
in der F i g. 3 dargestellt sind, oder mit der Unterseite nach oben aufeinandergesetzt
werden. Auf diese `'leise ergeben sich die beiden verschiedenen Arten von hintereinander
und parallel geschalteten Kammern. Bei parallelschaltung werden aufeinanderfolgend
Bleche b, Lücke auf Lücke und Lasche auf Lasche angeordnet (vgl. F i g. 6). Zwecks
Serienschaltung wird das zwischen den beiden in Serie zu schaltenden Kammern angeordnete
Blech b in der Weise abgewandelt, daß jede zweite Lücke 5 in Fortfall kommt, so
daß an dieser Stelle der Kanal unterbrochen wird.
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Die anderen Strömungskammern für das andere in Wärmeaustausch befindliche
Medium werden durch Zwischenlegen eines Bleches d gemäß F i g. 4 als Trennwand zwischen
je zwei Bleche a gemäß F i g. 1. erzeugt, wobei die äußeren Ränder 3 der Bleche
a in diesem Falle miteinander verschweißt werden und die Ränder 2 die Zu- und Abflußöffnungen
begrenzen. Zum Zwecke der Herstellung dieser Zu- und Abflußöffnungen wird auf jedem
inneren Rand 2 ein Blech e gemäß F i g. 5 aufgelegt, welches entsprechend dem Ringblech
c gemäß F i g. 3 ebenfalls mit Abwinkelungen versehen ist, welche jedoch in diesem
Falle auf der Innenseite des ringförmigen Bleches angeordnet und in der F i g. 5
mit 10 und 11
bezeichnet sind. Die Ränder der Abwinkelungen 10 und
11 passen - analog den Außenkanälen - auf die Ränder der Lücken und Laschen der
Scheiben d und ergeben mit dem inneren Zylidermante112 zusammen das andere Zu- und
Abflußsystem. Auch hier können durch Vertauschen von Ober- und Unterseite die inneren
Kammern parallel oder hintereinander geschaltet werden.
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In Analogie zu den Blechen b ist auch bei den Blechen d im Falle der
Serienschaltung jede zweite Lücke fortzulassen (vgl. wiederum F i g. 6). Für die
gemischte Anwendung von Parallel- und Serienschaltung erhöht sich demnach die Mindestanzahl
der notwendigen Grundformen von Ringscheiben a bis d
auf sieben.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung nach der Erfindung ist aus dem in
F i g. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ersichtlich.
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Es ist hier eine Anordnung dargestellt, in deren äußerem Teil jeweils
drei und in deren innerem Teil jeweils zwei Strömungskammern in Serie geschaltet
sind. Das äußere Strömungsmedium, welches also durch die vertikalen Schächte I und
1I in die einzelnen radialen Strömungskammern hinein- bzw. aus diesen herausgelangen
kann, ist in der Zeichnung in drei Teilströmen dargestellt, und zwar als ausgezogene,
gestrichelte und punktierte Linie. Das innere Strömungsmedium, d. h. dasjenige,
welches durch die inneren, vertikalen Schächte in analoger Weise mit den dazwischenliegenden,
radialen Strömungskammern in Verbindung steht, ist in Form von zwei Teilströmen
dargestellt, nämlich einem strichpunktiertem und einem abwechselnd aus einem Strich
und zwei Punkten zusammengesetzten Linienzuge. Die gewünschten Umlenkungen vom einen
auf den anderen Strömungsschacht werden durch entsprechende winkelmäßige Anordnung
der Lappen und Lücken der Bleche b und d einerseits und der Umlenkbleche
der Ringe c und e andererseits relativ zueinander erreicht.
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Die Aufteilung des äußeren Mediums in die drei Teilströme sei an einem
Beispiel nach F i g. 6 erläutert. In der dritten Scheibe b von oben (F i g. 6 linke
Seite) gezählt, fehlt eine Lücke 5 (F i g. 2). An dieser Stelle sitzt eine Lasche
4, die den Schacht II nach unten absperrt. Das strömende Medium muß sich
entsprechend den beiden offenen Ringkammern in zwei Teilströme aufteilen (in F i
g. 6 gestrichelt und punktiert dargestellt). Ein dritter Teilstrom (ausgezogene
Linie) fließt durch Schacht 1, und zwar so weit, bis er wieder eine Öffnung zum
Eintritt in eine waagerechte Strömungskammer findet.
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Je zwei Teilströme vermischen sich und trennen sich dann wieder entsprechend
den Widerständen der Strömungsbahnen in den Kammern.
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Aus der F i g. 6 ist nun ohne weiteres ersichtlich, in welcher Weise
die einzelnen Teilströmungen in den Schächten I und II weiter verlaufen.
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An Stelle der in F i g. 6 gezeichneten drei Teilströme außen können
selbstverständlich auch vier, fünf und mehr Teilströme durch Zugabe der notwendigen
Ringscheiben in einem Strömungskammerpaket parallel geschaltet werden.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die beiden Strömungsmedien entweder
im Gleichstrom oder im Gegenstrom durch die Anordnung hindurchgeleitet werden können.
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Der obere und der untere Abschluß der gesamten Zylinderanordnung kann
ebenfalls durch ein Blech a gebildet werden. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung,
daß für diese Abschlußbleche besondere Abschlußringe oder Abschlußkreisbleche vorgesehen
sind.
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Die in Form von Kreisevolventen verlaufenden Riefelungen der Bleche
a dienen vor allem dazu, eine möglichst gleichmäßige Strömung zu erzielen. Sie können
unter Umständen aber auch anders, z. B. radial und mehr geradlinig verlaufend ausgebildet
sein
oder ganz fortgelassen werden. Die Abstände müßten im letztgenannten Falle durch
besondere Abstandshalter gesichert werden, beispielsweise durch keramische oder
metallische Körner geeigneter Korngröße, welche unter Umständen gleichzeitig auch
als Wärme- bzw. Kältespeichermasse dienen können. Im übrigen ist es auch möglich,
bei den mit Riefelungen nach Art der F i g. 1 ausgebildeten Blechen Wärme-oder Kältespeichermassen
an sich bekannter Art vorzusehen, mindestens jedenfalls in einem der beiden Kammersysteme.
Die Wärmetauscheranordnung nach der Erfindung kann in diesem Falle auch beispielsweise
als Speicherwärmetauscher Verwendung finden.
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Die Anordnung nach der Erfindung kann fernerhin auch als Verdampfer
oder Kondensator benutzt werden. Unter Umständen können die Bleche c bzw. e gemäß
den F i g. 3 und 5 auch so angeordnet werden, daß das Medium wieder zu derselben
Seite (oben oder unten) aus der Anordnung herausgeführt wird, auf der sie in diese
eingeleitet wird.
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Durch Anordnung mehrerer auf den Kreisumfang verteilter, voneinander
unabhängiger Schachtsysteme können auch mehr als zwei voneinander getrennte Strömungskammernsysteme
ineinander verschachtelt werden, so daß mehr als zwei Strömungsmedien miteinander
in gegenseitigen Wärmeaustausch gebracht werden können. Mindestens in diesem Falle
sollten die Stoßkanten der aufeinandergelegten Ränder der Bleche b und c
einerseits und d und e andererseits sowie die mit den Mänteln 9 bzw. 12 gebildeten
Abschlüsse besonders gedichtet, z. B. gefalzt, geklebt und/oder verschweißt sein.
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An sich ist die Einrichtung nach der Erfindung für Medien gasförmiger
und/oder flüssiger Art bei allen technisch in Frage kommenden Temperaturen anwendbar;
von besonderer Bedeutung dürfte die Anwendung bei tiefen Temperaturen sein, beispielsweise
bei Gas- und Luftzerlegungsanlagen. Die Einrichtung nach der Erfindung hat den großen
Vorteil, daß sie durch geeignete Parallel- und Hintereinanderschaltung der einzelnen
Strömungskammern fürpraktisch jede beliebige Durchströmungsmenge auf gewünschte,
bestimmte Geschwindigkeiten eingestellt werden kann, wobei auf jeden Fall das Druckgefälle
sehr klein zu halten ist. Im Grenzfall kann sich der Wärmeaustausch auch auf je
eine Strömungskammer reduzieren. Als Werkstoff kommt für die Platte a vor allem
Metall, z. B. Kupfer, Aluminium, V 2 A-Stahl oder andere gut wärmeleitenden Stoffe
in Frage. Für die übrigen Platten, insbesondere b und d, sind Kunststoff
und andere schlecht wärmeleitenden Stoffe zu bevorzugen.