DE1910548U - Waermeaustauscherhoehendes laengsbestroemtes element. - Google Patents

Description

Ygnis 8« A», Fribourg (Schweiz)*

V/ärmeaustauscnerliöhendes längsbeströmtes Element,

Die vorliegende Erfindung betrifft ein wärmeaustauscherhöhendes längsbeströmtes Element zum Einschieben in einen gasdurchströmten Kanals insbesondere rauchgasdurchströmten Kanal von Kesseln.

Es ist bekannt, zwecks Erhöhung der Wärmeübergangszahlen, in durchströmten Kanälen das Medium zu stören und damit eine erhöhte Turbulenz im Kanal zu erzeugen. Derartige Elemente werden entweder als den Kanal unterteilende, in die Rohre einlegbare Spiralen ausgebildet oder in Form von Spiralfedern auf deh Kanalwänden abgestützt.

Es ist ferner eine Ausführung bekannt geworden, bei welcher ein Kessel mit ringförmigen zylindrischen Rauchgaskanälen versehen ist, in welche spiralförmige Elemente ge-

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wunden, eingeschoben und befestigt sind. Sie dienen dazu, die Kontaktfläche zwischen den wärmeaustauschenden Rauchgasen und dem wärme aufnehmend en Wassermantel zu erhöhen,' Auf diese Weise wird versucht, die wärmeübertragenden Flächen zu vergrössern. Diese Lösung bedingt natürlich eine gute Verbindung zwischen den Elementen und der Austauschwand zwischen Rauchgas und Wasser, um die von den Rauchgasen aufgenommene Wärme auch wirklich metallisch auf die Trennwände überzuleiten und nicht über eine dazwischenliegende Gasschicht.

Man versuchte also bisher insbesondere durch Erhöhung der gasseitigen Wärmeübergangszahlen den Rauchgasen auf möglichst kurze Strecken ihre Wärme zu entziehen und dem aufzuheizenden Medium zuzuführen. Es ist bekannt, die Wärmeübergangszahlen rauchgasseitig durch Vergrösserung der Rauchgasgeschwindigkeit in den Rauchgaskanälen zu erhöhen. Diese Steigerung der Geschwindigkeit bringt aber einen beträchtlichen Anstieg von Strömungsverlusten mit sich, womit diesem Vorgehen praktische Grenzen gesetzt sind. Da in den Rauchgaskanälen von Kesseln turbulente Strömungsverhältnisse herrschen, kann im allgemeinen durch den Einbau sog. Turbulenzelemente, welche der Strömung als Ganzem einen Drall erteilen, nicht viel gewonnen werden. Glatte Einbauten mit grossen Austauschflächen erhöhen also die

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Reibungsverluste wesentlich., ohne einen Gewinn zu bringen. Es sind auch Rohre von Wärmeaustauschvorrichtungen bekannt geworden, bei denen eine oder mehrere, den Strom in Einzelströme teilende, in der Rohr-Axrichtung geführte Scheidewände mit einseitigen Ablenkplatten versehen sind, wobei die Schnittkanten der Ablenkplatten mit der Scheidewand schräg zur Axe gerichtet sind zum Zwecke, einen steten Austausch zwischen den inneren und den die Aussenwandungen berührenden Teilen zwecks- Erhöhung des Wärmeaustausches herbeizuführ en.

Ein anderer Vorschlag zielt auf die Schaffung erhöhter Turbulenz und mithin erhöhten Wärmeaustausches ab, ohne dabei den Nachteil des dadurch normalerweise erhöhten Druckverlustes in Kauf nehmen zu müssen. Diese Lösung sieht vor, den Strömungskanal durch ein Element in zwei gleiche Teile zu unterteilen, welches mit in beide Kanäle vorstehenden Ablenkblechen ausgerüstet ist, sowie mit in Strömungsrichtung gesehen, diesen vorgelagerten, grossdurchmessrigen Oeffnungen, wobei die Umleitbleche den Gasstrom durch die Oeffnungen von einer Kammer in die andere lenken.

Auf diese Weise wird versucht, die Turbulenz und den Austausch des gasförmigen Mediums zu erhöhen und mithin bessere WärmeübertragungsVerhältnisse zu schaffen.

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Weiterhin ist ein Stossblech für Dampf- und Gasleitungen, insbesondere von Absorptionsmaschinen bekannt geworden, bei welchem die Bleche aus einem zungenlosen, zickzackartig gebogenen Blechstreifen bestehen., dessen Breite etwa den Seiten des den Rohrkreis einbeschriebenen Quadrates entspricht. Diese Blechstreifen sind vorzugsweise mit grossdurchmessrigen Löchern versehen und für den Gebrauch in Rektifikationseinrichtungen, insbesondere in kleinen Absorptionskältemaschinen vorgeschlagen worden»

Es existieren aber auch Vorschläge für einen rohrförmigen Warmeaustauseher zum Kühlen von Auspuffgasen, Abgasen, Abdampf und dergl. mit Einbauten in Form von Trennwänden zur Durchwirbelung des warmeaustauschenden Mittels, welche Trennwände mit der Rohrwand verbunden sind und wechselseitig mit muldenförmigen oder ähnlichen Vertiefungen versehen, um eine grosse Oberfläche und eine grosse Widerstandsfähigkeit der Trennwände gegen Schwingungen zu erzielen. Abgesehen von der mechanischen Verstärkung durch diese Massnahme₃ verspricht man sich hier, wie bei den vorerwähnten Ausführungen, eine Erhöhung der Durchwirbelung und mithin Verbesserung des Wärmeüberganges, Dabei ist auch versucht worden, diese Erhöhung des Wärmeaustausches durch Durchwirbelung mit Hilfe von speziellen Durchbrechungen in den Trennwänden der Einbauten von rohrförmigen Wärme-

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austauschern zu erzielen»

In der Kälteindustrie sind weiterhin Röhren-Wärmeaustauscher bekannt geworden, die einschiebbare Elemente zur Erhöhung des Wärmeaustausches aufweisen. Diese Elemente unterteilen den rohrförmigen Kanal in drei ungefähr gleich grosse parallel zur Axe verlaufende Abteile, wobei die Trennwände zwecks Austausch des gasförmigen Mediums zwischen den einzelnen Abteilen mit grossen Oeffnungen versehen sind.

Dieser Stand der Technik zeigt, dass bisher eine Verbesserung der Wärmeübergangs- und Uebertragungsverhältnisse insbesondere durch Erhöhung der Turbulenz des gasförmigen Mediums zu erreichen versucht wurde und in diesem Zusammengang auch Wärmeaustauschelemente mit grossen Oeffnungen zwecks guten Durchflusses dieses Mediums bekannt wurden. Der Frage der Erhöhung des Wärmeaustausches durch Strahlung Im Konvektionsteil wurde bisher anscheinend keine grosse Beachtung geschenkt. Alle diese bekannten Elemente, welche der Erhöhung des Wärmeaustausches dienen, sind entweder nur mit einsinen, grossen Löchern oder Reihen grosser Oeffnungen versehen, welche die Turbulenz des durchströmenden Mediums zu erhöhen trachten und in diesem Sinne den Austausch zwischen den einzelnen durch die Elemente gebildeten Strömungsräumen ermöglichen,

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Es ist zwar ein Lösungsversuch bekannt gewerden, bei welchem sternförmige Elemente bzw, sich parallel zu den Kanalachsen erstreckende Einsätze ohne Lochung benutzt werden, die dazu dienen sollen, den Wärmeaustausch auch durch Strahlung und nicht nur durch Turbulenz zu erhöhen.

Versuche mit derartigen Einbauten ergaben beispielsweise in Wärmeaustausehern für Rauchgase nicht den erwarteten Temperaturabbau und konnten daher die gestellten Anforderungen nicht erfüllen.

Man kennt ferner Siebeinsätze zur Erhöhung der Turbulenz und mithin des Wärmeaustausches, wobei die Wärmeaustauschelemente in Form von Platten mit dazwischenliegenden grossmaschigen Drahtnetzen ausgebildet sind. Diese Sandwichbauweise kann wohl zur Herstellung von Wärmeaustauschern dienen, ist jedoch für ein- und ausbaubare, d.h. für Wechselelemente, zu kompliziert. Zudem ergaben Messungen mit gewöhnlichen längsangeströmten Siebeinsätzen in Rauchgasrohren keine besseren über das bekannte Mass hinausgehenden, sensationellen Wärmeübertragungsverhältnisse als die bekannten vorerwähnten Turbulenzerzeugerelemente oder die vorerwähnten Einbauten.

Eine Durchströmung derartiger Netze oder Gitter erbringt bei mehreren hintereinandergeschalteten Elementen zudem einen übergebührlichen Druckverlust, der wirtschaftlich

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nicht tragbar ist.

Es wurde ferner Torgeschlagen, in einen Plattenwärmeaustauscher eine Lochplatte einzubauen, bei welcher die Löcher ausgekragt sind, derart, dass sie von vorstehenden, turbulenzerzeugenden Kragen umfasst werden. Auch diese Elemente bringen nur eine Verbesserung, die mit entsprechend grösseren Druckverlusten im Austauscher erkauft werden muss.

Zur Vergrösserung der wärmeübertragenden Austauschfläche wurde die Verwendung von Zwischenlagen vorgesehen, welche mit Oeffmingen, insbesondere quadratischer Form sowie mit von der Austauschfläche abstehenden Turbulenzorganen versehen sind. Aber auch diese Elemente ergeben keinen besseren Wärmeaustausch als die bekannten Ausführungen bei gleichem Druckverlust.

Diese unbefriedigenden Resultate bildeten den Grund zur Durchführung eingehender Forschung auf dem Gebiete von einschiebbaren und mühelos auswechselbaren Wärmeaustauschelementen. Neuartige Elemente sollten nicht nur im Aufbau äusserst einfach und damit billig und gut reinigbar sein, sondern insbesondere mit geringen Druckverlusten einen grösseren als bisher- bekannten Temperatur abbau insbesondere in Rauchgaskanälen von Kesseln ermöglichen.

Ein derartiges erfindungsgemässes Element zeichnet sich gegenüber den bekannten Elementen dadurch aus, dass das

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Element mindestens ein glattes, vorsprungsloses, plattenförmig es Organ mit gruppenweise oder durchlaufend angeordneten kleinen Oeffnungen aufweist, deren kleinste Dimension mindestens 1 mm und deren spezifische Zahl mindestens 5000/m beträgt.
Dieser Erfindung liegen folgende Erkenntnisse zu Grunde:

Versuche haben gezeigt, dass der Wärmefluss an die Wandungen der rauchgasdurchströmten Rohre durch Unterteilung des Rauchrohrinnenraumes in vom Rauchgas längsdurchströmte, praktisch voneinander getrennte Abteile dann ausserordentlich gesteigert werden kann, wenn man die Abteile untereinander durch eine Grosszahl von Oeffnungen in der Trennwand verbindet»

Die durchgeführten Versuchsreihen zeigten weiterhin, dass nicht nur gewöhnliche Wärmeaustausch—Verhältnisse herrschen, wie diese z.B. in Austauschern vorliegen, welche von Medien konstanter mittlerer Geschwindigkeit und örtlich konstanter Dichte durcuflossen werden, sondern dass, je nach der Anordnung der Oeffnungen in vorbestimmten Gebieten des Elementes, der Wärme ausbausch sich stark änderte« Je nach Art der Lochung und Grosse der Gruppen ergaben sich grosse Unterschiede im Wärmeabbau der Rauchgase auf der Messtrecke der Versuchsanordnung; die Punkte der Endtemperaturen der Rauchgase für die verschiedenen Elemente

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zeigten, aufgezeichnet wie nachstehend erläutert, einen sich mit der Lochzahl und dem Ort der Lochung im Element mehrfach auf*· und absteigenden Verlauf der jeweiligen Endtemperatur. Dieses unerwartete Resultat wurde näher untersucht und lässt sich folgendermassen eiläären:

Angeregt durch den Verbrennungsvorgang führt die Rauchgassäule Schwingungen aus. Diese werden anscheinend durch die Austauschelemente, je nach ihrer Beschaffenheit bezüglich Lochung, d„h. Anordnung, gruppenweise Aufteilung, Zahl und Grosse, aufgeschaukelt oder gedämpft, was den Temperaturabbau der Rauchgase längs der Elemente mehr oder weniger stark steigert.

Auf Grund derartiger Schwingungen ist es möglich, den Temperaturabbau der Rauchgase trotz niedrigster Durchlaufgeschwindigkeiten und geringsten Druckverlusten stark zu erhöhen, da die Schwingungen, durch die Verbrennung selbst angeregt, ihre kinetische Energie dem Wärmeinhalt des Gases selbst entziehen. Auf diese Weise können, bedingt durch diese Longitudinalschwingungen oder Rauchgassäule, örtlich sehr grosse Geschwindigkeiten und daher unerwartet hohe Wärmeübergangskoeffizienten auftreten, welche, über die Kanallänge summiert, diesen unerwartet hohen Temperaturabbau bringen. Zu diesem trägt natürlich auch die Schwingungsenergie bei, welche unter Temperaturabfall den Rauchgasen innere Energie entzieht«

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Wieweit die einzelnen Einflüsse, d.h. Strahlung, Wärmeübergang infolge der Rauchgasäurchflussgeschwindigkeit-und Turbulenz und Wärmeübergang, bedingt durch Rauchgasschwingungen am gefundenen Phänomen des hohen Temperaturabbaues bei kleinsten DruG&verlusten beteiligt sind, kann quantitativ genau nicht angegeben werden.

Alle diese Erkenntnisse wurden ausgenützt, um ein wärmeaustauscherhöhendes Element zu schaffen, welches

a) grösste Wärmeflüsse zwischen wärmeaustausehedem Gut und der Kanalwand ergibt,

b) kleinste StrömungsVerluste und kleine Geschwindigkeiten aufweist,

c) leicht ausbaubar ist»

Diese Erkenntnisse haben zu verschiedenen Ausbildungen derartiger erfindungsgemässer Elemente geführt, welche beispielsweise anhand von Figuren nachstehend erläutert werden.

Es zeigen:

Fig.l eine perspektivische Darstellung eines wärmeaustauscherhöhenden Elementes im Ausschnitt, nach Einführung in ein mit Rauchgas beheiztes Rohr,

Fig«.2 einen Ausschnitt analog Eig,l eines sternförmigen Elementes,

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Fig.3 einen Ausschnitt analog Fig.l eines dachförmigen

Elementes zum Einführen in einen rauchgasbestrichene]!, zylindrischen Ringraum,
Fig,4 und 5 zwei Ausführungen von Flächenbeschaffenheiten von Elementen bzw. Organen^

Fig.6 eine schematische Darstellung einer Versuchseinrichtung im Längsschnitt zur Bestimmung des Temperaturabbaues von Rauchgasen in wassergekühlten Rohren, Fig.7a-r: wärmeaustauscherhöhende, im Querschnitt kreuzförmige Elemente mit verschiedenen Lochzahlen und Lochanordnungen bei konstanter Teilung und konstantem Lochdurchmesser zur Verwendung in der Einrichtung gemäss Fig.6,

Fig.8 Temperaturen des Rauchgases am Ende der Messtrecke bei konstanter Einlauftemperatur ₃ in Funktion der verschiedenen Einsätze nach Eig.7a-r sowie dazugehörende Druckverlustwerte der Messtrecke.

In Fig.l ist ein kreuzförmiges, aus Ebenen zusammengesetztes Element 1 dargestellt, das in ein Rauchgasrohr eingeschoben ist. Dieses Element 1 setzt sich aus zwei gekreuzten zur Rohrachse 2 des Rauchgasrohres 3 parallel verlaufenden ebenen Folien 4 und 5 zusammen, die vier voneinander getrennte gasdurchströmte Abteile 14 in Form von Hohlräumen festlegen. Diese vorzugsweise aus Blech bestehenden, ebenen Folien sind mit parallel zueinander angeerdneten

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Lochreihen 8 versehen. Diese Hohlräume 14 sind begrenzt durch die mit Lochreihen 8 versehenen Folienteile der Folien 4 und 5 sowie eines Teiles der Wand des Rauchgasrohres 3.

In Fig.2 ist ein sternförmiges Element 10 dargestellt, das ebenfalls mit Lochreihen 11 versehen ist« Dieses sternförmige Element 10 ist in ein r-auchgasäurolistrichenes ROilT 12 eingeschoben.

Fig.3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Elementes, das in der Art eines Daches sich aus mehreren, beispielsweise zwei Ebenen 20 und 21 zusammensetzt, die ebenfalls mit Lochreihen 23 versehen sind. Die beiden Wände 24 und 25 begrenzen einen zylinderringföraigen Rauchgaskanal 26, durch den in Pfeilrichtung 27 das Rauchgas strömt.

In den Fig.4 und 5 sind Ausschnitte aus Elementen verschiedener Flächenbeschaffenheit dargestellt. Die Elemente sind mit Oeffnungen 36 durchsetzt, wie diese in den Fig.1-3 sowie der Fig.4 dargestellt sind, Diese Oeffnungen können z«.B. kreisförmig, eckig, schlitzförmig oder ovalförmig sein. Solche Organe 45 können auch einzelne Lochgruppen 46,47,48 aufweisen, wobei vorteilhafterweise am Einlauf die Löcher 46 im Durchmesser kleiner ausgebildet werden, als die folgenden, unter sich meistens gleichgrossen Löcher der Gruppen 47 und 48. Die Oeffnungen der Gruppen 47 und 48 können auch gleich gross sein. Um nun die auf die Wandungen der Rohre 3 und auf die Elemente übertragenen Wärmemengen gross zu halten, werden die Flächen der EIe-

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mente vorzugsweise mit entsprechend geformten Mitteln, insbesondere Oeffnungen in deli. .Blechen·.·· der Elemente versehen. In Fig.6 ist in schematischer Darstellung eine Messanordnung 27 mit einer Brennkammer 28, die von einem Wassermantel 29 umgeben ist j erientlieh. In der Vorderwand befindet sich ein Oelbrenner 30 und am Ende der Brennkammer 28 ist eine Druckmessteile 31 vorgesehen, die sich unmittelbar vor einer Brennkammerauslassöffnung 32 befindet. Der Rückwand der Brennkammer 28 schliesst sich ein Rohr 33 an, welches von einem Schamottenmantel 34 umhüllt ist. Eine MeBstelle 35 dient der Bestimmung der G-as eintrittst emperat ur. In einem Messkanal 37, der von einem Wassermantel 38 umgeben ist, steckt ein Element 39, welches gemäss den 2Pig.7a-r beschaffen ist und dessen Wirkung in der Messanordnung 27 bezüglich Wärmeübergang getestet werden soll. Am Ende des Messkanals 37 ist eine Druckmessteile 40 vorgesehen, sowie eine Temperaturmessstelle 41, während die Wassertemperatur mittels Messteilen 42 überwacht wird. Als Messkanal 37 dient ein Rohr mit einem Durchmesser von 3" und einer Länge von 1 m.

Die Versuche wurden derart durchgeführt, dass jeweils eines der Elemente gemäss den Fig.7a-r in das Messrohr 37 eingeführt wurde, wo"¹ ei nach dem Einstellen einer konstanten Rauchgaseinlasstemperatur· von 580 C und bei Konstanthaltung der Wassertemperaturen und der übrigen Parameter

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der Versuchsanlage die Austrittstemperatur am Stutzen 41 mittels eines in C geeichten Quecksilberthermometers abgelesen wurde. Mit Hilfe der Messteilen 31 und 40 wurde jeweils auch der Druckabfall in der Messtrecke bestimmt.

Die Lochung der Elemente 39 betrug 4 mm, während das Blech der Stege bzw. Organe eine Dicke von 3 mm aufwies. Die jeweilige effektive Lochzahl pro Element Ist in Fig.7 vermerkt, während in Fig.8 über diesen Lochzahlen als Abszisse die jeweiligen Austrittstemperaturen der Rauchgase am Ende der Messtrecke bei konstanter Eintrittstemperatur· von 580 C ersichtlich sind. Ueber dieser Temperaturskala befindet sich die zugehörige Skala der Druckabfälle ^p in der Messtrecke, dargestellt in Millimeter Wassersäule.

Aus diesen Messungen, welche reproduzierbar waren, und bei Rauchgasgeschwindigkeiten von grössenordnungsmässig 2m/sek. durchgeführt wurden, ergibt sich eindeutig, dass die Elemente 37 mit durchgehender Lochung gemäss Position Fig.7r den grössten Rauchgastemperaturabfall auf der Messtrecke ergaben, nämlich ungefähr 250⁰C. Auffallend ist, dass dieser Temperaturabfall mit zunehmender Anzahl von Löchern nicht immer zunimmt, sondern zwischen gewissen Lochzahlen wieder ansteigt und dass auch der Druckabfall einen entsprechenden auf- und absteigenden Verlauf besitzt«

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Diese Messungen deuten darauf hin, dass der translatorischen Bewegung der Rauchgase durch das Rohr eine Bewegung überlagert sein muss, welche je nach Anzahl Löcher grosser oder kleiner ist. Es wird vermutet, dass es sich dabei um Schwingungsvorgänge in der Messtrecke handelt, die je nach Art des llementes durch dieses gedämpft oder angefacht wurden, wobei diese Schwingungen ihren Ursprung in der Verbrennung haben könnten. Auf diese Weise können die eingangs erwähnten Phänomene gedeutet werden. Durch diese Schwingungen entstehen örtlich grosse Geschwindigkeiten der im übrigen translatorisch gleichmassig bewegten Gassäule, was entsprechend grosse Wärmeübergangskoeffizienten von Gas an die Rohrwand und damit die grossen Temperaturabfälle der Gase in der Messtrecke bzw. den Rauchgaszügen von Kesseln ergibt. Die Elemente sind zwecks Reinigung herausnehmbar. Die Oeffnungen der Bleche können auf verschiedene Art über das Blech verteilt sein. Es handelt sich aber um eine spezifische Feinlochung, z.B. 5000-200Ό00 Loch bzw. Oeffnungen pro m , vorzugsweise ungefähr 50'0OO Loch/m und 2 mm Durchmesser für ein Rauchgasrohr von ungefähr 2^Tf Durchmesser.

Versuche an Kesseln haben gezeigt, dass derartige wärmeaustauscherhöhende, insbesondere die erwähnten Erscheinungen aufweisende Elemente eine bedeutend kürzere Konstruktion

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der Rauchgaskanäle erlauben und somit bei vorbestimmten Kesselleistungen die Kessel bedeutend kurzer gebaut werden können als bisher. Daraus resultieren kleinere Heizflächen und geringere Druckverluste, mithin billigere Konstruktionen und wirtschaftlicherer Betrieb.

Claims (11)

•3? a -t ^s^jBr-t j^-nsprüche r

1) Wärmeäustauscherhöhendes längsbeströmtes Element zum Einschieben in einen gasdurchströmten Kanal, insbesondere rauchgasdurchströmten Kanal von Kesseln, dadurch gekennzeichnet, dass das Element mindestens ein glattes, vorsprungsloses, plattenförmiges Organ (37) mit gruppenweise oder durchlaufend angeordneten kleinen Oeffnungen (39) aufweist, deren kleinste Dimension mindestens 1 mm und deren spezifische Zahl mindestens 5000/m beträgt,

2) Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Organ (4,5) mindestens teilweise als Begrenzungsfläche eines Hohlraumes dient, welcher als weitere Begrenzungsfläche mindestens einen Teil der Wand des durchfloss enen Kanals aufweist,

3) Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oeffnungen (36) kreisförmig sind.

4) Element nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch sternförmig miteinander verbundene Organe (Eig,2),

5) Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es kreuzförmig ausgebildet ist (]Pig.l).

6) Element nach Anspruch 1, dadurch gekpnnzelohnet, dass es dachförmig ausgebildet ist (Fig,3).

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7) Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Organ (4,5) praktisch parallel zur Kanallängsachse
verläuft,

8) Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Organ (4,5) eben ist.

9) Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Organ aus Blech besteht.

10) Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche eine Loclibelegung zwischen 5000 und 200*000

Lo ch/m aufwe ist,

11) Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Organ einen freien Oeffnungs-Querschnitt zwischen 10
und 50% aufweist.

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