DE1911889A1 - Waermeaustauscher - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, bei dem eine unter Druck stehendes Puffermittel zwischen dem
Kühlmittel und dem zu kühlenden Mittel benutzt wird, um die thermische Beanspruchung zu verringern und ein
Vermischen des Kühlmittels mit dem zu kühlenden Mittel zu verhindern* Dabei kann jedes Mittel ein Gas oder
eine Flüssigkeit sein»
Die üblichen Wärmeaustauscher bestehen im allgemeinen aus einer Anordnung von flachen, plattenähnlichen Elementen,
die parallel zueinander und mit Abstand voneinander angeordnet sind. Benachbarte Plattenelemente
sind an zwei gegenüberliegenden Kanten durch Distanzelemente getrennt und begrenzen eine Vielzahl von labyrinthartigen Durchgängen» Jeder Durchgang besteht
aus zwei rechteckigen Plattenelementen mit zwei an gegenüberliegenden
Kanten befindlichen Distanzelementen. Ab-
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wechselnde Durchgänge stehen mit einer ersten Sammelleitung
und die übrigen Durchgänge mit einer zweiten Sammelleitung in Verbindung. Das Kühlmittel wird in die erste Sammelleitung und
das zu kühlende Mittel ,in die zweite Sammelleitung eingespeist.
Dann befinden sich die beiden Flüssigkeiten offensichtlich an entgegengesetzten Seiten der Plattenelemente und können sich
vermischen, wenn irgendwelche Defekte oder Leckagen in dem
Wärmeaustauscher auftretenc Das Mischen der Mibtel ist unerwünscht
und gefährlich, insbesondere wenn ein Mittel heisse..·
Maschinenablassluft oder Druckkolbenluft ist, die mit flüssigem
Treibstoff gekühlt wird, was in Ventilationsanlagen von Überschallflugzeugen vorkommt. Palis Wärmeaustauscher der bekannten
Art defekt werden, entzündet sich der in die Durchgänge der heissen Luft leckende Treibstoff und verwandelt die
Passagierkabine in ein Inferno.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine mit einem Mittel gefüllte Pufferkammer zwischen dem Kühlmittel und dem zu kühlenden
Mittel vorzusehen, wobei die Pufferkammer vorzugsweise
unter einem Druck steht, der höher ist als der Druck in den anderen Kammern· Weiterhin soll durch die Erfindung ein Puffermittel
in einem Wärmeaustauscher vorhanden sein, um schwerwiegende
strukturelle Temperaturgradienten und thermische Beanspruchungen
zu verringern, wodurch wiederum Leckagen verhindert werden.
Auch soll eine schlagartige Aufheizung des auch als Kühlmittel dienenden Treibstoffs verhindert werden, wenn dessen Fluss kurz
unterbrochen wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Verhinderung von Leckagen und der Vermischung des Kühlmittels und des zu kühlenden
Mittels.
Sohliesslieh soll, verhindert werden, dass irgendeine äussere
Oberfläche des Wärmeaustauschers einschliesslich der Einlassleitung für heisse Luft ej,ne Temperatur erreicht, die den Brenn-
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stoff entzünden kann.
G-emäss der Erfindung sind plattenförmigen z.B. rechteckige
Elemente Vorgesehen, die mit Abstand -voneinander parallel angeordnet
sind. Innerhalb jedes übernächsten Zwischenraumes zwischen den Plattenelementen sind Hohlkörper vorzugsweise entlang
den längeren Kanten angeordnet und bilden Durchgänge für das heisse Mittel. Zusätzlich sind innerhalb der übrigen dazwischenliegenden
Häume Hohlkörper entlang α-en kürzeren Kanten angeo-rdnet,
ijodass tile Plat fceijeleiiente in einem Stapel zusammen befestigt
sind« Somit sind zviaehen den Durchgängen für des heisse
I-Iit t el ausätsli ehe Durchgänge gebildet,- el ie mit den. L.n gegenüberlis^aiicea
LDnüen ειι^e ordnet en -Sarn.ielleitungen in Verbindung
stehen, woöirich ein gocclilo^.-enes ü-efilss für das Puffermittel
gebildet wird* In-jedem Durchgang ist ein flaches Abteil angeordnet,
das eine Verbindung zwischen den Sammelleitungen herstellt. Die flachen Abteile haben von den Plattenelementen und
Hohlkörpern einen derartigen Abstand, dass die Pufferflüssigkeit die flachen Abteile vollständig-umgibt. Jedes flache Abteil
hat einen Einlass und einen Auslass, s.odass Kühlmittel
durch das flache Abteil hindurchgeht. Um die thermischen Beanspruchungen
auf ein Minimum zu verringern, sind in- den Hohlkörpern
Löcher vorgesehen:, sodass das Puffermittel frei aus den
Hohlkörpern ein- und ausfli.esst*
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert,
Big. 1 ist; eine perspektivische. Ansicht eines Seiles des Wärmeaustauschers
nach der Erfindung, teilweise in.ge^- "brochener Darstellung;
3?ig. 2. ist eine Seitenansicht des Wärmeaustauschers nach Fig.l
in kleinem Maßstab;
Figj 3 ist.ein Schnitt durch einen Teil des Wärmeaustauschers
entlang der iinie 3-3 in Fig. 2; , .
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Pig. 4 ist ein Schnitt durch einen Teil des Wärmeaustauschers:
entlang der linie 4-4 in Pig. 2; ■
Pig. 5 ist eine '^ eil an sieht, die den Lufteinlass des Wärmeaustauschers
teilweise in gebrochener Darstellung zeigt,-wodurch der innere Aufbau sichtbar ist;
Pig* 6 ist eine Seitenansicht des Wärmeaustauschers, wobei die
Seitenplatte entfernt ist und '-^eile weggebroehen sind, -■
um.den inneren Aufbau zu zeigen.
in Pig. 1 gezeigte Wärmeaustauscher besitzt einen rechteckigen Einlassflansch 11 für das zu kühlende Mittel, z.B. heisse
Ablassluft von einer Düsenmaschine eines· Überschallflugzeugs, und einen rechteckigen Auslassflansch 12 für die gekühlte Ablassluft,
Geeignete Kanäle (nicht gezeigt) können-mit den Plansehen
11 und 12 verbunden sein, um die heisse Luft in den Wärmeaus-''>
tauscher hinein und die gekühlte Luft aus dem Wärmeaustauscher
herauszuführen. Auch kann eine.^euertrennwand (nicht gezeigt)
zwischen dem Einlasskanal und dem Plansch 11 angeordnet sein aus
Gründen, die später erklärt werden. Die den Wärmeaustauscher verlassende
Luft ist z.B. durch relativ kalten. Brennstoff gekühlt
worden, der in den Wärmeaustauscher durch einen Brennstoffeinlass 13 eintritt und diesen durch einen Brennstoffauslass 14 verlässt.
Der Brennstoffeinlass Und Brennstoffauslass führt durch
eine Seitenplatte 1.6, die sich von dem Plansch 11 zu dem Planseh
12 erstreckt und an diese Plansche angelötet ist. Eine.entspre^r
chende Seitenplatte 17 (Pig. 5) befindet sich auf der anderen
Seite des Wärmeaustauschers parallel zur Seitenplatte 16. Eine halbzylindrische Platte 18 (Pig. 1) befindet sich als Deckel auf
dem Wärmeaustauscher und ist mit den Seitenplatten 16 und 17 verschweisst sowie mit Planschen 32d an Gliedern 32, die am Einlass
und Auslass angeordnet sind und oben eine Sammelleitung für die
Pufferflüssigkeit bilden. .Eine andere halbzylindrische Platte
(Pig,. 6) ist als Boden des Wärmeaustauschers angeordnet und mit
den.Seitenplatten 16.und 17 verschweigst sowie mit Planschen 33d
(Pig* 6.) art Gliedern 33 (ebenfalls, am Einlass und Auslass ange-ϊΓ-G
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geordnet), um eine Sammelleitung für die Pufferflüssigkeit am
Boden zu bilden· 2WiSChen den Seitenplatten 16 und 17 befindet
sich, eine Vielzahl von Wärmeübergangsplatten 21, die parallel
und mit Abstand voneinander angeordnet sind. Die Platten 21 sind vorzugsweise rechteckig, wobei einander abwechselnde Räume
zwischen ihnen vorgesehen sind. Entlang der beiden senkrechten Kanten sind senkrechte Hohlkörper oder Distanzelemente 22
angeordnet, die sich senkrecht erstreckende Durchgänge bilden, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist« Oben sind horizontal verlaufende
Hohlkörper oder Distanzelemente 23 und am Boden horizontale
Hohlkörper oder Distanzelemente 24 (Fig, 5) in den anderen
Zwischenräumen zwischen den Platten entlang der Deckel- bzw» der Bodenkanten der Platten 21 angeordnet und bilden in Fig. 1
von rechts nach links verlaufende Durchgänge. Somit werden zwischen den Platten 21 horizontale und vertikale Durchgänge gebildet.
Aus später zu erklärenden Gründen sind vertikale Hohlkörper oder Distanzstücke 22a zwischen der üeitenplatte 16 und
der angrenzenden Wärmeübergangsplatte 21 angeordnet, sowie zwischen
der Seitenplatte 17 und der benachbarten Wärmeübergangsplatte 21, wodurch vertikale Durchgänge gebildet werden. Die
vertikalen und horizontalen Distanzelemente 22, 22a, 23 und 24 sind rechteckige Rohre, die einen Durchfluss des Puffermittels
erlauben. Die Enden der Distanzelemente 23 und 24 am Deckel und Boden sind mit geeigneten Stopfen 25 abgedichtet (Fig. 1 und 5).
Um den Durchfluss des Puffermittels zu erlauben, sind löcher nur an der oberen Fläche der Distanzelemente 23 am Deckel und
in der unteren Fläohe des Distanzelementes 24 am Boden vorgesehen (Fif. 3).
Die heisse Luft tritt durch den Flansch 11 in den Wärmeaustauscher
ein, und die vertikalen Distanzelemente begrenzen den Durchgang der Luft auf abwechselnde, zwischen den Platten 21 gebildete
horizontale Durchgänge. Um den Wärmeübergang zu vergrössern, sind geeignete Wellbleche 31 (Fig. 1) zwischen den betreffenden
Platten 21 in den Luftdurchgängen vorgesehen. Die
•^eisten 32 und 33 sind vorzugsweise Profile mit drei Flanschen,
z.B. den Flanschen 32b, 32c und 32d, wie an der Leiste 32 gezeigt ist. Wie bereits oben erwähnt wurde, sind die Flansche
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32b am Einlass und am Auslass an die ^eekelplatte 18 stumpf
angeschweisst, wie Fig. 6 zeigt; die Flansche 32c erstrecken
sich abwärts über die zugestopften Enden der Distanzelemente 23 und sind an diese angelötet und Flansche 32d sind an die
Flansche 11 und 12 des Wärmeaustausehers angeschweisst. Die scharfe Ecke zwischen den Flanschen 32 b und 32c ist durch
eine geeignete Abrundung vermieden. Die betreffenden Plansche der ^eiste 33 sind an die Bodenplatte 19 stumpf angeschweisst,
an die zugestopften Enden der Distanzelemente 24 des Bodens angelötet und an die Flansche 11 und 12 angeschweisst. Jede
leiste 32 und 33 weist Vorsprünge 37 (Fig. 6) auf, die parallel zu und mit Abstand von den Flanschen 32c und 33c angeordnet
sind. Die Vorsprünge 37 befinden sich hinter vertikalen Distanzelementen 22, sodass diese fest zwischen den Vorsprüngen
37 und den Flanschen 32o bzw. 33ο gehalten werden und mit
diesen verlötet sind. Die den Flansch 11 bildenden senkrechten
Streifen sind an die betreffenden Seitenplatten 16 und 17 angeschweisst (Fig. 5)· Aus noch zu erklärenden Gründen sind horizontale,
gekrümmte Platten 38 (Fig. 6) an die Aussenkante der horizontalen Streifen des Flansches 11 geschweisst, sowie
an die betreffenden Deckel- und Bodenplatten 18 und 19t während
senkrechte gekrümmte Platten 39 (von denen nur eine Platte in Fig. 1 gezeigt ist) an die Aussenkanten der senkrechten
Streifen des Flansches 11 und die betreffenden Seitenplatten 16 und 17 geschweisst sind.
Da die heisse Luft nur die horizontalen Durchgänge passiert, die zwischen abwechselnd benachbarten Plattenpaaren 21 gebildet
sind und im wesentlichen vom Flansch 11 zu dem Plansch 12 laufen,
ist erfindungsgemäss ein Puffermittel an den gegenüberliegenden Seiten der Platten 21 in Kontakt mit der hezssen Luft
vorgesehen» Das Puffermittel befindet sich innerhalb vertikaler Durchgänge, die mit einer durch die Deckelplatte 18 gebildeten
Sammelleitung am Deckel und mit einer durch die Bodenplatte 19 gebildeten Sammellleitung in Verbindung stehen· Bas Druckablassventil
41 (Fig. 2) ist in geeigneter Weise mit der öfteren Sammelleitung 18 verbunden und verhindert einen iibermassigen
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anstieg; falls z.B. der Treibstoff (das Kühlmittel) abgesperrt wird-,"-würde die heisse Luft einen Teil der Pufferflüssigkeit
aufheizen, wodurch deren Druck ansteigt. Vorzugsweise ist das Puffermittel eine Flüssigkeit, sodass eine thermische Trägheit
zur Verhinderung übermässiger thermischer Gradienten in den Wärmeaustauscher eingebaut ist. Die Wärme wird aus der heissen.
Luft durch kalten Treibstoff abgezogen, der durch den Treibstoffeinlass
13 eintritt und durch den Treibstoffauslass 14
wieder austritt,
Nunmehr wird die bauweise erläutert, mittels der der Treibstoff
Wärme aus der Pufferflüssigkeit und damit aus der heissen Luft entfernen kann«, Der Einlass 13 entspricht im wesentlichen dem
Auslass 14 und beide bestehen aus Rohren 44a und 44b (Mg. l)
mit daran befestigten Planschen 46a und 46b, Beide Rohre 44a
und 44b gehen durch die Seitenwand 16 hindurch und treten in die Pufferflüssigkeitssammelleitung am Boden ein-, wie am besten
aus Pig. 5 ersichtlich ist. Die Roh-e durchdringen eine Vielzahl
von Platten 47a und 47b, die in "geeigneter Weise an die Rohre 44a'und 44b angelötet sind. Die Platten 47a" und 47b sind
mit Erhebungen gleich ausgebildet -und'werden entsprechend Pig.4
derart gegeneinander gesetzt, dass die vertikalen Kanten 48a
und 48b so^ie die oberen und unteren Kanten 48c und 48d (Pig.6)
der beiden Platten sich'gegenüberliegend zusammenfallen und verlötet
sind. Jede- Platte hat eine Mittelrippe 49, die sich von der unteren Kante 48d erstreckt und die Mittelrippe der ^egenplatte
berührt, sodass zwischen den Platten 47a und 47b eine flache ü-förmige Kammer gebildet wird (Pig. 6), wenn die· beiden Rippen
zusammengelötet sind. In cem Teil der Rohre 44a und 44b, der
sich in.der von den Platten 47a und 47b gebildeten 'Kammer befindet,
sind geeignete Öffnungen 51 vorgesehen, wie In Pig,
für das Rohr 44a gezeigt ist. Durch diese Öffnungen 51 kann das
Kühlmittel das Rohr 44a verlassen, die Vielzahl der U-förmigen
Kammern passieren, und in das Rohr 44b eintreten und von dort den Wärmeaustauscher verlassen. Innerhalb der U-förmigen Kammern
sind geeignete Wellbleche 52 angeordnet, sodass die Wärme mit
gutem Wirkungsgrad von den Platten 47a und 47b auf das Kühlmit-
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tel übertragen wird.
Zusätzlich zu den zwischen den benachbarten-Platten 47a und
47b angeordneten Wellblechen 52 sind entsprechende Wellbleche *
53 (Fig. i) angeordnet, um einen' viärffieübergang zwischen den
Platten 21 und den entsprechenden ..beiiächbarten Platten 47a und
47b zu schaffen. Die.Wellbleche 55-sind derart gerichtet, dass
das Kühlmittel frei in senkrechter Richtung fliessen kann. Zusätzlich
zu dem erhöhten; Wärmeübergang bilden-die Wellbleche
'53 einen struktuellen Halt .für die Platten 47a. und 47b. Rohre-55
sind senkrecht und entlang beider senkrechter"Kanten·48a und
48b der Platten 47a und 47b, wie in Fig. 4-gezeigt, angeordnet um zu verhindern, dass sich die Kanten infolge mangelhafter Unterstützung jenseits der Wellbleche^53 unter Druck verbiegen.
Die Rohre 55 sind oben und unten offen,- sodass das Kühlmittel
frei durch die Rohre fliessen kann. Wie bereits erwähnt, sind Wellbleche 31 zwischen zwei benachbarten Platten 21 ange·^
ordnet. Die Wellbleche 31 sind·derart angeordnet j dass die Luft
sich frei durch den horizontalen Durchgang bewegen kann und·
ihre Wärme mit gutem Wirkungsgrad in der folgenden Keihenfolge
auf den kühlenden treibstoff übertragen kann.: Heisse' Luft auf
die Wellbleche 31, Wellbleche auf die Platten 21, auf die Wellbleche
53, auf die Platten 47, auf die Wellbleche 52 und aufden kalten Treibstoff.·. . . --...'.
Sicherheitsmassnahmen sind erforderlich, wenn Wärmeaustauscher
leicht entflammbare Treibstoffe als Kühlmittel benutzen. Bei ■
normaler Betriebsweise würde der Flansch 11 gegen eine'Feuertrennwand (nicht gezeigt) geschraubt sein, sodass die entflammbaren
Flüssigkeiten sich auf der Wärmeaustauscherseite'befinden
und die Elemente mit hoher Temperatur sich auf der anderen Seite der -^euertrennwand befinden. Falls sich in einem Teil der Treibstoffanlage
ausserhalb des Wärmeaustauschers ein. Leck bildet, wird der Treibstoff auf der einen Seite der Feuertrennwand gehalten
und diese verhindert, dass der Treibstoff mit irgendein
ner der heisse Luft führenden Oberflächen in Berührung kommt..·
Da der Brennstoff auf der einen;Seite der ^euertrennwand gehalten
wird, kommt er im Falle eines Lecks mit den äusseren Ober-
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... :.-_r-.r. ,--A-- BAD ORlGIMAL
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s$:9ff oiiod die ajBfcdere zwisolaeia J'uf.ferflüssigkeit ynd Luft^ wird eine MiaciHmg van ^'.reifest.©ff loid Iiuft verhindert:, weil das die iRiifferfl^ssigkeit ;enMiaiLte:n,de Abteil z.B.. dui-oii das Ablassventil 4H unter einem Druck steht., der. grosser ist als der des Treib-Stoffs .-tind der Iiuft^^adurch-tritt-.i^fferflüssigkeit aus und . ein Eintritt von treibstoff und Luft in das Pufferabteil wird verhindert, Dur eh die -Penutzung eines Bifferf lüssigkeit seammlers.kann der Druck und das yolumen überwacht werden: und ein
-Verlust an .Pufferflüssigkeit zeigt einen Defekt anv J1SlIs:--wäh-* ■rend· eines kurzen Zeitabschnitts "kein treibstoff -fliesst und "-die Wärme abführt, nutzt die Einrichtung automatisch die Yer-■' qLarapfungswärme der Pufferflüssigkeit zur.· Kühlung der Luft vor d§ren Eintritt ,in die Passagierkabine aus,. Diese Maßnahm θ--sollte genügend 2eit zum Abschälten .der zugeordneten Klimaanlage*-er- · ·, bevor die Temperatur in. der. Kabine· gefährliche 'Höhen '·
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SAD ORIGJNAi
§ΦϋΛ2|
Patentansprüche*
Claims (14)
- Patentansprüche:Wärme aus taxis eher bestehend aus ersten und zweiten1 voneinander unabhängigen Durchgängen zum Durchfluss eines ersten und eines zweiten Mittels, gekennzeichnet durch einen in
Wärmeaustausch zwischen den ersten und zweiten Durchgängen eingeschlossenen Raum für ein drittes Mittel, - 2. Wärmeaustauscher mit einer Gruppe von mit Abstand voneinander angeordneter Platten, dadurch gekennzeichnet, dass Λ abwechselnde Räume zwischen den Platten (21) die ersten
Durchgänge (31) bzw. Teile des eingeschlossenen Raumes(22, 22A, 53, 55) begrenzen, wobei die zweiten Durchgänge (47a, 47b) innerhalb der Räume angeordnet sind, die Teile des eingeschlossenen Raumes für das dritte Mittel begrenzen. - 3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,. dass die Räume zwischen den Platten, die Teile des eingeschlossenen Raumes für das dritte Mittel begrenzen, mit
einer ersten Sammelleitung (18) und einer zweiten Sammelleitung (19) an entgegengesetzten Enden der Platten in Verbindung stehen. f - 4· Wärmeaustauscher nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnetdurch erste Distanzelemente (3i)r die zwischen den Platten angeordnet sind, die die ersten Durchgänge begrenzen, und durch zweite Distanzelemente (22, 22a, 53> 55)r die zwischen den Platten angeordnet sind, die Teile des eingeschlossenen Raumes für das dritte Mittel begrenzen,
- 5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Distanzelemente jeweils rohrförmige Trennwände zwischen ihren betreffenden Räumen zwi-90984 2/1171sehen den Platten begrenzen. . · . .
- 6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Distanzelemente (31) wellenförmig ausgebildet sind.
- 7. Wärmeaustauscher nach. .Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wellenförmige Elemente (;.·2) innerhalb der zweiten Durchgänge angeordnet sind und wellenförmige Elemente (53) ebenfalls zwischen den zweiten Durchgängen und den Platten angeordnet sind, zwischen denen sich die Räume befinden, die '^1 eile des eingeschlossenen Saumes für das dritte Mittel begrenzen.
- 8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Durchgänge jeweils von wenigstens zwei Plattenwänden (^7a, 47b) gebildet sind, die innerhalb der Räume angeordnet sind, die Teile des eingeschlossenen Raumes für das dritte Mittel bilden.
- 9. Wärmeaustauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenv/ände (47a, 47b) jeweils mit entsprechenden Erhebungen ausgebildet und gegeneinander gesetzt an ihren Berührungsflächen verbunden sind.
- 10. Wärmeaustauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlüsse (13, 14) für die Zuführung eines Mittels zu den zweiten Durchgängen und dessen Abführung von dort vorgesehen sind.
- 11. Wärmeaustauscher nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse wenigstens ein Rohr (44^ 44b) aufweisen, das durch eine der Sammelleitungen (19) und durch die Plattenwände (47a, 47b) hinflurchgeht und Öffnungen (51) -aufweist, die mit den durch die Plattenwände gebildeten zweiten Durchgängen in Verbindung stehen.909842/1171 ■» ohkmnal
- 12. -Wärmeaustauscher nach Anspruch 8 bis lo, dadurch gekennzeichnet, dass beide Plattenwände (47a, 47b) einen U-förmigen zweiten Durchgang bilden.
- 13. Wärmeaustauscher nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass das fraie Ende jedes Schenkels des TJ mit einem Rohr in Verbindung steht, sodass das zweite Mittel von einem Rohr zum anderen durch beide Schenkel des U fliessen kann.
- 14. Wärmeaustauseher nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Mittel unter einem Druck gehalten wird, der höher ist als derjenige des ersten und zweiten Mittels.909842/1171
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