DE1501618A1

DE1501618A1 - Waermeuebertrager

Info

Publication number: DE1501618A1
Application number: DE19651501618
Authority: DE
Inventors: Brunner Dipl-Ing Dr Alfred
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1965-03-12
Filing date: 1965-03-24
Publication date: 1969-07-03
Also published as: DE1501618C3; CH434501A; DE1501618B2; NL6602222A; US3450198A; NL130632C; GB1146012A; BE677707A

Description

zum Patentgesuch

der Pinna Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft, Winterthur,

Schweiz

"he Greifend:

"Wärmeübertrager"

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für Kernreaktoranlagen, bestehend aus einer Liehrzahl von nebeneinander angeordneten parallel geschalteten Einheiten, welche der Wärmeübertragung dienen, wobei ein an der Wärmeübertragungteilnehmendes Medium in mindestens einem geschlossenen υ■crömungska.nal und ein anderes an der Wärmeübertragung teilnehmendes Medium um den Strömungskanal durch die Einheiten geführt ist. Bei Anwendung derartiger Wärmeübertrager in Kernreaktoranlagen wird vorteilhaft das Gehäuse des 'v'armeübertragers direkt vom lleaktorkühlmittel durchsetzt.

Das die nebeneinander angeordneten Einheiten durchströmende Medium erfährt von seinem Eintritt- bis zu seinem Austritt in den Einheiten, in welchen es um in den Einheiten angeordnete dtröraungskanälü geführt 13t, einen unter Umständen erheblichen Druckabfall. Da es aus Gründen der Wärmedehnung erforderlich ist, die Einheiten mit Spiel gegeneinander in dem

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Wärmeübertrager anzuordnen, ist es erforderlich, die seitliehen Begrenzungswände der Einheiten zu versteifen. Die Einheiten können Beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt' aufweisen, wobei der Querschnitt selbstverständlich aber auch eine andere Kontur, wie beispielsweise eine.polygonartige Begrenzung besitzen kann, ......

.,,Es ist schon, vorgeschlagen worden, solche Einheiten in rundum dichte, jedoch oben und unten offene Kästen einzubauen, die Kästen auf der Baustelle nebeneinander aufzustellen, sei es auf Stelzbeinen, oder, auf einem Tragrost, und sodann die Spalte zwischen den Kästen wie auch zwischen^ den Kästen und dem Gehäuse des Wärmeübertragers an der Ober- oder Unterseite dichtend zu überbrücken. Tritt nun am Wärmeübertrager ein grosser Druckabfall auf, so werden am Dichtungsende der Kästen, je nachdem-, o.b dieses am. Eintritts- oder Austrittsende liegt, die seitlichen ,Kästenwände durch inneren bzw. äußeren Überdruck belastet, so daß sie. besonders versteift werden müssen, wobei zu- ,, sätzliches ,Material erforderlich ist* vor ,aljLem aber ,ein höherer Raumbedarf entsteht, beispielsweise dadurch, d,aß die Wände aus gewellten Blechen hergestellt werden. ,,. ,,

Diese Ifeehteile werden erfindungsgemäß, dadurch beseitigt, daß die zwischen den Einheitenr bestehenden ,Spalte, in mehreren Stuf en durch Picht-Elemente· unterteilt ,-sind^, _;ßo daß der Druck-_: ■verlauf des die Spalte durchströmenden.. ILediusia im wesentlichen, deni Druckverlauf des, uu die Kanäle strömenden J^ediums.. in .den Einheiten entspricht..: -■>;-. ,..><;-■ -^' . . .-- -■

Dadurch wird erreicht, daß-die Begrenzungswände der Einheiten druekmäßig nicht einseitig belastet werden» da auf beiden Seiten im weaaitliehen dieselben Druckverhältnisse herrschen. Vorteilhaft werden die -.Einheiten jedoch höchstens teilweise von vollen* durchgehenden,-^:saicht durchbochenen Wänden begrenzt. So , ist beispielsweise, eine Ausführungsform für die Einheiten mög-_t lieh, bei- der; beiBpielsweise bei quad rat i schein:.. Qu erschiiitt. i'.wei gegenüberMjegen&e Wände jeder Einheit aua nicht du-rohbrpciienen

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Blechen bestehen, während die beiden übrigen Seiten aue Blechen mit z.B. streifenförmigen Durchbrüchen versehen sind. Durch die öffnungen kann dann ein direkter Druckausgleich zwischen den Einheiten und den Spalten stattfinden. Als weiterer Vorteil ist hierbei anzusehen, daß wenigstens in gewissem Maße ein Temperaturausgleich des die Strömungskanä'le in den Einheiten umströmenden Mediuns und des die Spalte durchströmenden Mediums erfolgt. Dieser Temperaturausgleich kann noch weiter dadurch verbessert werden, daß beispielsweise die Öffnungen in den Begren-Eungswänden benachbarter Einheiten zwischen je zwei Dicht-Ble-Menten gegeneinander versetzt angeordnet werden, so daß ein gegenüber dem Längestrom des um den Strömungskanal geführten Mediums geringer Wuerstrom dieses Mediums zwischen den Einheiten und den Spalten auftritt.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß bei einem Wärmeübertrager mit senkrecht nebeneinander angeordneten Einheiten, die als Bohrbündel ausgeführt· Ströaungskanäle für das eine Medium aufweisen, die eineeinen Einheiten mindestens teilweise einen aus Längs- und Queretreben bestehenden gerüstartigen Aufbau besitzen, in welchem die Rohre .des Bündele angeordnet sind, wobei das um die rtohre strömende Mediuu den Zwischenraum zwischen den Bohren im wesentlichen parallel zu den Län^sstreben durchsetzt, und wobei die Querstreben benachbarter Einheiten in mehreren Etagen entsprechend den Stufen durch Dicht-Elemente miteinander verbunden sind. Zweckmäßig sind auch die zwischen den auJen angeordneten Einheiten und der Gehäusewand des Wärmeübertragers bestehenden Häume in mehrere Stufen durch. Dicht-Elemente unterteilt.

Für die Ausbildung der Dicht-Eleiaente selbst gibt es eine große Anzahl AusfUhrungsformen. So kann beispielsweise jedes Dicht-Element auu einem Blechstreifen bestehen, der an de» Wandstück der einen Einheit an einer tieferen Stelle gelagert ist als an dem Wandstück der benachbarten -Einheit. Es ist ebenfalls möglich, als üicht-Elemente Schienenstücke z.B. mit U- oder T-' Prefil zu verwenden, durch welche die Wände benachbarter Einheiten in Stufen miteinander verbunden werden können. Der Ausdruck

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"Ji'-lit-Element" ist hierbei nicht so zu verstehen, daß mit ihnen eine absolute Abdichtung erreicht v/erden soll, sondern sie dienen dazu, den Durchfluß des die Spalte durchströmenden Mediums derart zu drosseln, daß der Druckverlauf dieses Mediums in den Üpalten im wesentlichen demjenigen des um die Ötrömungskanäle in den Einheiten strömenden Mediums angepaßt wird. Hierdurch v/ird wirksam vermieden, daß sich längs der Spalte Kurzschlußströme ausbilden können, welche einerseits thermodynamik ehe Verluste hinsichtlich einer wirksamen Wärraeübertragung und andererseits starke thermische Beanspruchungen der für die Konstruktionselemente verwendeten Materialien zur I¹OIge hätten.

Im Folgenden v/ird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.

Pig. 1 zeigt eine !Reaktoranlage im Schnitt mit einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch i'eile von zwei nebeneinander angeordneten Einheiten eines Wärmeübertragers,

^£i,\. i eine Detaildarsteilun., eines Dicht-Elemente;:; iii. Verbindung mit gegenüberliegenden ^uerotraben von zwei benachbarten Einheiten in Längsschnitt,

Fig. 4 in Längsschnitt einen i'eil der Gehäusewände eines Wärmeübertragers und einer angrenzenden Einheit mit erfindun^sgenäb an_r eordnjten Di cht-xil ement en.

In Fig. 1 ist die Anordnung eines erfindungsgemäßer: Wärmeübertragers in Verbindung mit einen Kernreaktor gezeigt. In einem druckfesten Bau, z.B. aus Beton, ist ein .Reaktorkern It untergebracht. Unter diesem Reaktorkern befindet sich in einem Kanal K, der in diesem Fall das Gehäuse des orfindungsgeuäßen •Wärmeübertragers bildet, eine größere Anzahl von der Wärmeübertragung dienenden Einheiten E. Die den Zwiachenr&um zwischen uen

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Elementen und der Gehäusewand des Wärmeübertragers abdichtenden Abdeckbleche sind mit A bezeichnet. Bei dieser Au3führungsform sind die der Gehäusewand benachbarten Begrenzungswände aer Einheiten als versteifte Blechwände ausgeführt, während die zwischen den Einheiten vorhandenen Spalte 3 in btufen derart durch Dicht-Elemente verbunden sind, wie dieses aus der anschließend beschriebenen Fig. 2 deutlich hervorgeht.

Das Reaktorkühlmittel, z.B. COp» durchströmt den Reaktorkern von oben nacn unten, gelangt aus diesem in den durch die Einheiten E gebildeten Wärmeübertrager, in welchem es das den geschlossenen Strömungskanal durchsetzende Medium, z.B. Wasser, erwürmt, während es in den Spalten zwischen den Einheiten durch die aort erfindungsgemäia in Etagen angeordneten Dicht-Elemente gedrosselt wird. Durch Umwälzlei uungen L mit Umwälzgebläsen U wird das Reaktorkühlmittel aus dem Uärmeübertrager wieder nach oben geleitet, um erneut in den Reaktorkern einzutreten.

jj'ig. 2 zeigt Ausseimitte von zwei Einheiten 1 und 2 eines »'ärmeübertragers, wie er beipielsweise gemäß Ji¹Ig. 1 für den Einbau in eine Reaktoranlage eines ^asgekühlten Kernreaktors vorgesehen ist. Die Einheiten, die z.B. im Grundriß einen quadratischen querschnitt besitzen, sind oten und unten offen und werden von dem Reaktorkühlmittel in Richtung der Pfeile K durchsetzt. Jas zu erwärmende Ilüdium wird in den einzelnen Einheiten in liohrbündeln geführt, welche in einzelne, parallel liegende, ebene Rohrschlangen aufgeteilt sind, so dai3 die Rohre 3, die in Jig. 2 nur für die Einheit 1 dargestellt sinu, von dem gasförmigen i/arme trag er quer angeströmt werden. Um eine Vorstellung von den G-röiaenabines sengen eines derartigen Wärmeübertragers zu geben, ^rde± erwäunc, daio die Abmessungen für die einzelnen Einheiten z.B. 2 χ 2,5 χ 10 in betragen und diese je ein G-ewicht von etw-; 100 to besitze/! können.

Die ^eraden, mit ;.,irkulurrip,_;en 4 versehenen parallelen Abschnitte der Rohre 3 sind durch rippenlose Umkehrbogen 5 zu ebenen, parallelen üohrtafein zusammengefaßt, die νυη dem zu

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erwärmenden Kedium durchströmt werden. Die Einheiten "besitzen um die ->*ohrtaf ein herum einen aus Lungs- und Querstreben bestehenden gerüstartigen Aufbau. Dieser Aufbau besteht aus vier als Träger ausgebildeten Längsstreben 6, an denen in mehreren Etagen als T-'i'räger ausgebildete Querstreben 7,8 angeschweißt sind. Winkelträger 9 und 10 bilden sodann einen oberen bzw. unteren Rahmen. Die Rohrtafeln sind mittels Briden 11 an den i'ragborde 12 bildenden Stegen der Wuertra^er 7 befestigt. Diese sind ihrerseits an den Schenkeln der auf den gegenüberliegenden Seiten angrenzenden Längsträger 6 angeschweißt. Zweckmäßig sind die i'ragborde an den beiden gegenüberliegenden Seiten einer jeden Einheit versetzt zueinander angeordnet .

Beim Zusammenbau der Einheiten werden die itohrfcif el*i in eine parallele Ebene zur Zeichenebene gebracht und dann zwischen die mit 'i'ragborden versehenen ^uerstrebe.i eingefahren und daran mittels der Briden befestigt. Am Schluß erst wird der vordere Rahmen angeschweißt. In der Zeichnung sind die sichtbaren Querstreben der hinteren Rahmen der Einheiten uit der Uezugsziffer bezeichnet.

Nach der Erfindung sind die Querstreben nebeneinander stehender Einheiten mindestens in mehreren Stufen durch Dicht-Elemente verbunden. Bei der in Ji¹Ig. 2 dargestellten Ausführungsform wird der zwischen den Einheiten 1 und 2 bestehende Spalt in mehreren Etagen durch. Dicht-Elemenfce 14 überbrückt, so daii die Strömung des um die Rohre strömenden Gases in den Spalten stark gedrosselt wird. Da der Gasstrom sowohl im Bereich der unberippten Rohrbügen wegen der Tra^borde 12 als auch in den Spalteiybenachbarter Einheiten durch die Dieht-Elemente 14 stark gedrosselt wird, verläuft die Gasströmung im wesentlichen in Bereich der mit Rippen versehenen, geraden Rohrabschnitte 3, so daß am Ende des !/ärmeübertr ^ers eine über den querschnitt gleichmäßige i'enperaturvert eilung des Gases erreicht wird. Zudem wird zwischen den eiiizelnen Einheiten und den zwischen benachbarten Einheiten bestehenden Spalten abschnittweise ein Druckausgleich herbeigeführt, so daß keine einseitige Beanspruchung der Innen- oder Außenseiten der einzelnen Einheiten entstehen kann. 909827/0700

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Wie bereits zuvor angegeben, ist, findet außerdem ein gewisser Temperaturausgleich zwischen dem um die ütrömungskanäle strömenden Medium und dem die Spalte durchströmenden Medium statt. Vorteilhaft kann dieser Temperaturausgleich noch dadurch verbessert werden, daii durch eine besondere Ausbildung der Einheiten ein gegenüber dem Längsstrom des die Einheiten durchströmenden Mediums geringer Querstrom dieses Mediums zwischen den Einheiten und den Spalten erzeugt wird. Ein solcher ^ueratrom kann beispielsweise dadurch hervorgerufen werden, daii die wuerstreben benachbarter Einheiten gegeneinander in der Höhe versetzt an, eordnet sind, oder daß im Bereich der zwischen zwei ^uerstrebeii derselben Einheit angeordneten Hohi'bögen geneigte Schikanen eingebaut sind oder auch dadurch, daIi der Ein3trömquersch^itt des die Einheiten direkt durchsetzenden Mediums einer Einheit gegenüber demjenigen der anderen beispielsweise durch entsprechende Ausbildung des oberen Rahmena der WinkeltriJger 9 verkleinert und ebenfalls der .ausstromungsquerschnitt einer anderen, von der erstgenannten Einheit durch mehrere Einheiten getrennten Einheit durch gleiche Ausbildung der den unteren Kahlaen bildenden './inkeitrLger 10 ii.. leichen Ma.se gegenüber den anderen Aui3ütrijm.a;er£?chuitten verkleinert wird.

Ea ist - wie uereita erwähnt - nicht erforderlich, daü die Dicht-E'i eiitijit«? die einzelnen Jna-ltabsohnitte absolut gegeneinander al-ieilte;·:; es ^,er.ll^z, da.; die otroiaung in der. Spalten stark gedrjiitielt wird. Der in Li.:.g; richtung durch die Spalte, die beispielsweise eine Üreite von 5 c::i besitzen, hindu -chtretende 5;iöütroi.. ist gegenüber de..; die Ei..heite:i iurchstro;..enden a-.use tr cn ueiir _c;eria^ und wird :uue... i:i den einzelnen Abschnitten :ύ; Ler-sito _t3ek^Llte... ja.s geiaiach'o, ao üa.i diener eine annähernd gleiche xeii.;eratur aufweist.wie der uasstrom in den Einheiten, iiiei'durch \. Irä ^iö cheruische Beanspruchung der Konatruktionseier.iente i:u weseutiichen gleich.

^piel airx. jie ,uerstreben 7 - wie ucix die *uei\3treben 8 - benachbarter Einheiten durch iiiclit-... erteilte 14 ,..L;.-einander verbunden. ^v..'enn auch hierbei die Spalte

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in allen Etagen benachbarter Einheiten von Dicht-Elementen überbrückt sein sollen, so sind selbstverständlich auch Anordnungen möglich, bei welchen nur eine gewisse Anzahl der Querstreben benachbarter Einheiten durch Dicht-Elemente miteinander verbunden sind.

Im Ausführungsbeispiel bestehen die Dicht-Elemente 14 aus Blechstreifen, die sich auf an den ^uerstreben 7 der einen Einheit angebrachte, durchlaufende Nasen oder Rinnen 15 abstützen. Die Blechstreifen 14 sind breiter als der höchste je zwischen zwei benachbarten Einheiten bestehende Spalt 13, vorzugsweise etwa 1,4 mal so breit. Die Blechstreifen stellen sich schräg über den Spalt und lehnen sich an einer höheren Stelle der entsprechenden Querstrebe der benachbarten Einheit an, und werden dort durch den leichten Gasüberdruck des wärmeübertragenden Mediums angepreßt. In Fig. 3 sind zwei benachbarte Querstreben 7 mit einem sie verbindenen schräggstellten Dicht-Elemente 14 vergrößert dargestellt. Mit strichpunktierten Linien ist angedeutet, wie vor und nach dem Zusammenschieben der einzelnen Einheiten die Blechstreifen 14 mittels zweckmäßigerweise numerierter Haltebügel 16 an der Querstrebe 7 festgehalten werden. Wach dem Zusammenschieben der Einheiten werden die Bügel 16 entfernt, wobei die Dichtstreifen 14 von seihst in die gezeichnete schräge Lage fallen. Die Numerierung der Haltebügel erlaubt während der Montage laufend zu kontrollieren, ob wirklich alle Dichtstreifen von den Haltebügeln befreit wurden.

Im Ausfülirungsbeispiel verlaufen die Dichtlinien zwischen den Dichtstreifen und den beiden benachbarten Querstreben horizontal, doch sind selbstverständlich auch Anordnungen der Dicht-Elemente möglich, bei welchen die Dichtlinien gegen die Senkrechte ipieigt verlaufen können. Dieses richtet sich im wesentlichen nach der jeweiligen Anordnung und Ausbildung des Aufbaus der einzelnen Einheiten.

Nach Fig. 2 ist der Spalt 13 an seiner oberen Seite von e'iner ί'-förmigen Schiene 17 abgedichtet, welche durch ihr Gewicht sowie den Druck des gasförmigen Wärmeträgers auf die Winke1-

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träger 9 von jeweils zwei benachbarten Einheiten gepreßt wird, wobei der Steg der Schiene zentrierend in den Spalt greift, während die Flansche den Spalt überbrücken. An Stelle der Blechstreifen 14 können z.B. auch die ^uerstreben 7 von benachbarten Einheiten stufenweise durch U-form.ge Schienen 18 über den Spalt miteinander verbunden werden, wie dieses in Fig. 2 an ei-. ner Stelle in strichpunktierten Linien angedeutet ist. Die Einheiten sind im Ausführungsbeispiel auf einem aus Kastenträgern gebildeten Tragrost aufgestellt, von welchem ein Tragrost 19 in der Zeichnung sichtbar ist. Aufgrund der erfindunöSgeinäßen Ausbildung des Wärmeübertragers ist es nicht erforderlich, die 'x'ragkasten am Fuß äeu Wärmeübertragers gegen die Einheiten besonders abzudichten.

Die äußeren Einheiten des Wärmeübertragers itönnen beispiels· weise an ihren Außenseiten mit einer versteiften, nicht durchbrochenen "./and versehen sein (Pig. 1).

Vorzugsweise werden jedoch auch die Häume zwischen den Außenseiten der äußeren Elemente und der Gehäusewaiid des Wärmeübertragers - in analoger V/eise zu der stufenweisen Abdichtung derSpalte zwischen den einzelnen Einheiten - in Etagen durch Dicht-Elemente überbrückt.

Dazu zei^t Fig. 4 ein Ausführuri^sbeispiel. An der zylindrischen J-ehäusewand 20 des Wärmeübertragers sind in Etagen Dichtborde 21 angebracht. Auf diesen stützen sich als Blechstreifen ausgebildete Dicht-Elemente 14 ab, die in Hinnen 15 der •«^.erstreben 7 der benachbarten Einheiten gelagert 3ind. An der oberen Seite ist eine ϊ-Schiene 22 angeordnet, deren Steg zentrierend in den Raum zwischen G-ehäusewand und den äußeren Einheiten greift, während die Flansche der Schiene einerseits auf dem obersten Dichtbord 21 der Gehäusewand und andererseits auf den oberen Winkelträgern 9 der äußeren Einheiten aufliegen.

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Claims

Jio

Pat entanaprüche

( 1 J Wärmeübertrager, insbesondere für Kernreaktoranlagen, bestehend aus einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten parallel geschalteten Einheiten, welche der Wärmeübertragung dienen, wobei ein an der Wärmeübertragung teilnehmendes Medium in mindestens einem geschlossenen Strömungskanal und ein anderes an der Wärmeübertragung teilnehmendes Medium um den Strömungskanal durch die Einheiten geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Einheiten bestehenden Spalte in mehreren Stufen durch Dichtelemente unterteilt sin.i, so daß der Druckverlauf des die Spalte durchströmenden Mediums im wesentlichen dem Druckverlauf des um die Kanäle strömenden Mediums in den Einheiten entspricht.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheiten in Strömungsrichtung des um den Kanal strömenden Mediums durchbrochene Begrenzungswände besitzen, wobei die Wände benachbarter Einheiten in mehreren Stufen durch die Dicht-Elemente miteinander verbunden sind.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, ruic senkrecht nebeneinander angeordneten Einheiten, die als Rohrbündel ausgeführte Strömungskanäle für das eine Medium aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Einheiten mindestens teilweise einen aus Längs- und yuerstreberybestehenden gei-üstartigen Aufbau besitzen, in welchem die Üohre des Jündels angeordnet sind, wobei das um die Hohre strömende Medium den Zwischenraum zwischen den .Rohren im wesentlichen parallel zu den Längsstreben durchsetzt, und daß die wuerstreben benachbarter Einheiten in

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mehreren Etagen enusprechend den Stufen durch die Mcht-Elemente miteinander verbunden sind.
4. Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß von mindestens einem Teil der Einheiten jede Einheit auf zwei gegenüberliegenden Seiten von vollen, nicht durchbrochenen Wänden begrenzt ist, wobei die einander zugekehrten vollen Wände benachbarter Einheiten ebenfalls in mehreren Etagen durch die Dicht-Elemente miteirander verbunden sind.
5. Wärmeübertrager nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dau windestens ein Seil der Querstreben an zwei gegenüberliegenden beiten derselben Einheit Tragborde für die Rohre besitzen.
6. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dad die zwischen den außen angeordneten Einheiten und der Gehäusewand des Wärmeübertragers bestehenden Räume in mehreren Stufen durch die Dicht-Elemente unterteilt aind.
7. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Dicht-Eleinent aus einem Blechstreifen besteht, der an dein Wandstück der einen Einheit an einer tieferen Stelle gelagert ist,als an dem Vandstüci: der benachbarten Einheit.
d. V\irneübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, άιΐιί die Einheiten derart ausgebildet sind, daia ein gegenüber deu Liln^sstrom des uu den utröiaungsicanal in den Einheiten geführtes Ileaiuia geringer ^uerstrom dieses Medium zwi- aen Einheiten und den spalten cuftritt.
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