DE2011202A1 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

HEINZ LINSER ■ PATENTANWALT · PHYSIKER

6 072 DREI E IC H ENHAIN BERLINER R ING RUF (061 03) 818

1394 -ED - 2272

General Electric Company

1 Hiver Road
Schenectady, N.Y. USA

Wärme taus eher

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf'Wärmeübertragungsanordnungen wie Wärmetauscher und Regenratoren, die perforierte Plattenpakete verwenden, um eine Wärmeübertragung zwischen den Strömen oder Bereichen der Wärmeübertragungsanordnungen zu bewirken. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf solche Konstruktionen gerichtet, in denen eine yersetzung der Öffnungen zu benachbarten Platten vorgesehen ist, um einen guten Wärmeübergang zwischen denKanälen oder Bereichen der Anordnungen zu erreichen.

Es wurde bereits eine Anordnung vorgeschlagen, die aus einem Gegenstrom-fänaetauscher mit porösen Platten besteht, die insbesondere für Tieftemperatureysterne verwendbar ist.

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Die Wärmetauscher ist mit mehreren hochleitenden porösen Platten versehen, die durch mehrere Brennelemente oder Abstandshalter geringer Leitfähigkeit voneinander getrennt angeordnet sind, um mit diesen Platten Kanalpaare zu bilden, von denen jedes einen entsprechenden entgegengerichteten Strömungsmittelstrom aufnehmen kann. Eine Versetzung der Öffnungen oder Löcher in den benachbarten Platten bewirkt, daß die Strömung auf einen gewundenen weg fließt. Demzufolge werden vorhandene hydrodynamische und thermische Grenzschichten bei jeder Platte aufgerissen. Eine derartige Wirkung ergibt höhere Wärmeübergangsraten, als wenn die Strömung von einer Platte zur nächsten ohne Windungen und Verbiegungen verläuft. Bei dem zuvor genannten Wärmetauscher mit porösen Platten entsteht ein besonderes Problem entweder bei der Ausrichtung oder bei der Versetzung der Löcher in den Platten. Da die Locher sehr schmal sind, z.B. haben sie einen Durchmesser in der Größenordnung von o,25 mm (io mils), wird es schwierig, die irlatten während der Herstellung derartig auszurichten, daß eine Versetzung der Löcher sichergestellt wird. Wenn z.B. zwei rechteckige Platten mit derartigen kleinen Löchern aufeinander gelegt werden, und wenn die Löcher ausgerichtet sind, so können die Platten versetzt werden, indem die oberste Platte um nur den halben Abstand zwischen den Löchern nach links oder rechts verschoben wird. Bei derartig kleinen Abständen zwischen den Löchern wird es bei der Herstellung sehr schwierig, die Löcher entweder übereinstimmend auszurichten oder zu versetzen. Es ist sogar schwierig bei zwei getrennten Plattenarten, deren Löscher den erforderlichen Abstand aufweisen, eine Versetzung zwischen den zwei Arten herzustellen, wer.n diese alterieren und aufeinander passen.

Demzufolge besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine einfache Vorrichtung zur Erzeilung einer Versetzung der Löoher in einem porösen Plattenpaar vorzuschlagen.

Bine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Vo r riohtungen zur Erzeilung einer maximalen Versetzung der Öffnungen in einen Paar identischer benachbarter poröser Platten vorzusehen. -

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Eine weitere Aufgabe der vorliegendenErfindung "bes.teht darin, eine Wärmeüber^angsanordnung vorzuschlagen, die poröse Platten verwendet, in der brnrchbsrte Platten Löcher aufweisen, die versetzt sind, und in denen derartige Platten hinsichtlich ihres Aufbaus identisch sind, wodurch die Herstellung und der Zusammenbau derselben vereinfacht wird und wodurch demzufolge eine Konstruktion erzielt wird, in der die Löcher der benachbarten Platten maximal versetzt sind.

Gemäß einem dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die für einen Wärmetauscher Anwendung findet, sind identische poröse Platten vorgesehen. Jede der Platten besitzt

mehrere parallel angeordnete Reihen von Löchern. Der'Abstand ja

zwischen benachbarten Löchern in jeder Seihe ist gleich und der - . ""■' Abstand der Löcher benachbarter Keinen ist derartig, daß ein Loch in einer Heihe mit zwei benachbarten Löchern in einer benachbarten Heihe ein gleichseitiges Dreieick bildet. Wenn zwei derartige Platten in parallelen Ebenen benachbart zueinander angeordnet sind, und eine Reihe in einer Platte um 30 zu einer entsprechenden Heihe in der anderen Platte verschoben ist, wird ein maximal versetztes Muster erzeugt. Eine seitliche Verschiebung derartiger Platten in .uezu£ zueinander verändert nicht' die Mustergröße, d.h. der Teilstrom durch die zwei Platten wird nicht, geänderto Bei rechtwinkeligen. Ausführungen kann die gewünschte Verschiebung von JG oder einer ungeraden Vielfachen davon, wie etwa 9° oder 15O M

zwischen den entsprechenden Reihen in benachbarten Platten auch durch Verwendung identisch geformter Platten erreicht werden. Die Löcherreihen sind unter einem Winkel von 45 zu einer Stelle der rechtwinkeligen Platte ausgerichtet.' Eine Drehung der Platte um einen Winkel von 180 um eine Achse parallel zu einer Seite "bwirkt eine Ausrichtung, bei der die Reihen unter einem Winkel von 135 in Bezug auf die ursprüngliche. Seite angeordnet sind. Wenn^zwei derartige Platten benachbart zueinander gestapelt werden, und zar eine in der ursprünglichen Lage und eine in der gedrehten Position, betragen die Winkel -zwischen den entsprechenden Reihen

^x 00

die Differenz zwischen 135 und 45 oder =90· Demzufolge wird

eine msximale Versetzung erreicht. _ 4

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BADORlGlNAt

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungcbeispiels, das in den Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert. Hierbei zeilen:

Figur 1 eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, eines Wärmetauschers mit der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 eine explodierte perspektivische Ansicht eines porösen Plattenpaares, das durch ein Trennelement, welches in der Ausführungsform nach Figur 1 Verwendung findet, getrennt ist;

Figur 5 einen Schnitt der porösen Platten, die durch die gestrichelten Kästen in Figur 2 dargestellt sind, um die Beziehung der darin vorhandenen Reihen der Löcher aufzuzeigen;

Figur 4 eine ebene Ansicht, teilweise im Schnitt, eines anderen Ausführungsbeispiels mit der vorliegenden Erfindung, indem der Wärmetauscher einen kreisförmigen Umriss aufweist, und kreisförmig poröse Platten und Abstandshalter besitzt;

Figur 5 eine explodierte Ansicht eines porösen Plattenpaares und eines Abstandshalters, wobei mehrere davon in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 verwendet werden, und

Figur 6 einen Schnitt der porösen Platten nach Figur 5> die in gestrichelt gezeichneten Kreisen dargestellt sind, um die Beziehung der darin vorhandenen Löcherreihen aufzuzeigen.

In Figur 1 ist ein Wärmetauscher 1o dargestellt, der mehrere hochleitfähige poröse Platten 11 und mehrere Abstsndshalter 12 geringer Leitfähigkeit besitzt. Ein einzelner Abstandshalter 13 und ein Paar benachbart angeordneter Platten I4 und 15 sind in Figur 2 gezeigt. Der Abstandshalter besitzt ein einschließendes Randteil 16 mit rechtwinkeligem Umriss und ein Paar Querwandteile 16 e und 16 b, die sich zwischen den kurzen Seiten des Randteiles 16 erstrecken und so drei längliche Öffnungen 17, 18 und 19 im Abstandshalter bilden. Jede der Platten I5 und 16 besitzt längliche Teile oder Flechen 21, 22 und 23, die den entsprechenden länglichen Teilen 17,18 und 19 in den. Abstandshalter entsprechen. Jedes der länglichen Teile 21, 22 und 23 auf den Platten I4 und I5 besitzt mehrere Löcher 25· ~ 5 ~

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Alle Löcher in der Platte I4 sind derartig ausgerichtet, daß sie parallele Reihen 26 bilden, wobei jede ^eihe zur Längsrichtung der Platte unter einem Winkel von 45 verläuft. Der Abstand der Löcher 25 ist in jeder Reihe gleich und jede Reihe ist von der benachbarten •Reihe so weit entfernt, daß ein Loch in einer Reihe mit zwei benachbarten Löchern in der anderen Reihe ein gleichseitiges Dreieick bildet. In ähnlicher »/eise sind die Löcher 25 in allen Bereichen der Platte 15 in parallelen Reihen 27 ausgerichtet, wobei jede Reihe zur Längsausdehnung der Platte einen Winkel von 135 bildete Die Löcher in jeder Reihe sind gleich weit voneinander entfernt und die Löcher einer ^eihe sind von den Löchern einer benachbarten ^j

Reihe so entfernt, daß ein Loch einer Reihe mit zwei benachbarten ■ ^ Löchern einer benachbarten Reihe ein gleichseitiges Dreieck bildet. Die Platten 14 und 15 sind vorzugsweise gleich. Die Art und We±se_t in der gleiche iPlatten ausgerichtet werden können, um eine Ausrichtung der Löcher zu erhalten, wie sie in Figur 2 dargestellt ist, wird in Verbindung mit Figur 5 erläutert.

Der Wärmetauscher 1o nach Figur 1 besitzt mehrere gleicne Platten 11, die durch mehrere Abstandshalter 12 voneinander getrennt sind. Die Platten mit einer Lochausrichtung, die in der Platte I.4 dargestellt ist, wechselt mit Platten ab, die eine Lochausrichtung aufweisen, wie sie in der Platte I5 zu sehen ist. Die Platten wiederum wechseln M mit den Abstandshaltern 12 ab» Die Platten 11 können aus Aluminium bestehen und die darin befindlichen Löcher können .durch Bohren, Stanzen oder Atzen oder durch andere" geeignete Maßnahmen hergestellt werden. Die Abstandshalter 11 können aus Kunststoffmaterial bestehen, das an Aluminium leicht haftet. Wenn ..die Platten und die Abstandshalter so ausgerichtet sind, daß die längsgerichteten Öffnungen 17,18 und 1.9 und die längsgerichteten Bereiche 21 _? 22 und 23 der Platten ausgerichtet sind oder übereinstimmen, entstehen drei Kanäle 40, 4I und 42, die den längsgerichteten Öffnungen 17, 18 und 19 der Abstandshalter 12 entsprechen.

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An jedem Ende deo Wärmetauschers sind AbSchlusselemente vorgesehen. Das Kopfstück 3° besitzt ein rechteckiges gefäfiförmiges Element 31 , das ein Paar Querwände 32 und 33 auf v/eist, die vor der ^ururr"platte 34 ausgehen, und sind zu den Seiten längsgerichtet, so daß darm, wenn das Kopfstück 3° an das Ende des ..ärmatauschers 1o befestigt " wird, die I!ase des Gefäßelementes 31 'an dem jxand des Absttn-lshalters oder des Trennelementes 13 des Wärmetauschers anliegt, und die Nasen der Querwände 32 und. 33 mit den Querwandteilen 1 ά a uir¹. 16 b des Trennelementes zusammenkommen, so daß ein fester abgedichteter Kontakt hergestellt wird. Das Kopfstück 35 ^am anderen -&nde des Wärmetauschers ist dem Kopfstück 3° ähnlich ausgebildet, mehrere Anschlüsse oder Öffnungen 43^a> 45 b und 43 ^c sind an jedem finde des Wärmetauschers vorgesehen, wobei jeder mit einem der drei entsprechenden Kanäle 4°» 41 und 42 verbunden ist. Der Kanal 4° kann ein heißer Kanal eines ^egenstrom-wärmetauschers sein und die anderen zwei Kanäle 4I und 42 können miteinander verbunden sein, um den kalten Kanal des Wärmetauschers zu bilder.. Durch die Anordnung gleicher Platten, die in dem Wärmetauscher vorgesehen sind, fließt durch den Wärmetauscher ein Strömungsmittel in gewundenen Pfaden. Mit der Anordnung der Löcher in den Platten und der vorgesehenen Anordnung der Platten, wie in Figur 2 dargestellt, wird eine zuverlässige Versetzung der Löcher in benachbarten Platten hergestellt.

In Figur 3 sind die aneinanderliegenden Abschnitte 45 und 46 der Platten I4 und 15 nach Figur 2 dargestellt. Der Abschnitt 45 entspricht dem gestrichelt gezeichneten Teil 47 d-er Platte 14 und der Teil 46 dem gestrichelt gezeichneten Teil 48 der Platte 15 nacL Figur 2. Die Löcher 25 in den Teilen der Platten 45 und 46 sind in mehreren parallel liegenden -"-einen angeordnet, wobei j de Reihe unter einem Winkel von 45 zur langen Seite des rechteckigen Teils, wie angedeutet ist, liegt. Die Löcher in jeder ^fteihe sind gleich weit voneinander entfernt. Die fieihen sind so weit voneinander eifernt, daß die Mitte eines Loohes in einer Reihe mit den Mitten der zwei benachbarten Löcher in einer benachbarten Reihe ein gleichseitiges Dreieck bilden.

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Ein solches gleichseitiges Dreieck ist mit 49 bezeichnet·. Die mit . . 5.1 bezifferte Reihe bildet einen Winkel von 45 zvri sehen der Schnittlinie, der Reihe und der langen Grundseite 55 des Rechtecks und erstreckt sich nach rechts. Das ^χβϋ 46 erhält man durch Drehung des ^eils 45 um 180 um eine Achse parallel zur langen Seite des '''eils. Die Reihe 51 im Teil 46 bildet zwischen der Schnittlinie ,der Reihe 5I zur langen Ausdehnung des rechtwinkeligen Teiles einen Winkel von 135 » der sich nach rechts .erstreckt. Demzufolge können die Platten I4 und I5 gleich sein und gleich hergestellt werden, und die Auarichtung der Platte I4 iⁿ -Bezug auf die Platte 1: wird durch Drehung der Platte 15 um 180 um eine Achse parallel zur langen Plattenseite erreicht. " _*g

In Figur 4 ist eine andere Ausführungsform des Wärmetauschers 60 dargestellt, der mehrere hochleitfshige poröse Platten 61 und mehrere Abstandshalter 62 geringer Leitfähigkeit mit kreisförmigem Umriss besitzt. Ein einziger Abstandshalter und ein Paar benachbarter Platten 04 und.65 sind in Figur 5 dargestellt. Der Abstandshalter 63 besitzt einen umscnließendes Randteil 66 mit kreisförmigem Umriss . und einen konzentrischen kreisförmigen inneren Rand 67.» der mit dem äußeren Rand durch ein Paar Querwände 68 und 69 verbunden ist, um so drei Öffnungen zu bilden, nämlich eine zentrale Öffnung 71 und zwei Seitenöffnungen f2 und 73· Jede der Platten 64 und 65 weist ähnliehe Bereiche 81 und einen konzentrischen Bereich 82 auf, die den entsprechenden Öffnungen 7I und den öffnungen "J2 und 73 i^m -^"b- jjj

standshalter 63 entsprechen. Jedes der ^xeile 81 und 82 der Platten 64 und 65 besitzt mehrere Löcher 75· Alle Löcher in der Platte 64 sind derartig ausgerichtet, daß sie parallele Reihen J6 bilden. Der Abstand der Löcher ist in jeder Reihe gleich und jede Reihe ist von einer benachbarten Reihe derartig entfernt, daß ein Loch in einer Reihe ein gleichseitiges Dreieck mit zwei benachbarten Löchern in einer benachbarten Reihe bildet. In ähnlicher ^weise sind die Löcher in jedem der Bereiche in der Platte 65 in parallelen Reiheii.76 ausgerichtet, wobei jede Seihe zu der entsprechenden Reihe in der Platts 64 einen Winkel von 30 oder ein ungerades "Vielfaches von 30° bildet.

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Die Löcher in jeder Reihe sind gleich weit von benachbarten Löchern entfernt und die Löcher in einer Reihe sind von den Löchern in einer benachbarten Reihe derartig entfernt, daß ein Loch in einer Reihe mit zwei benachbarten Löchern in einer benachbarten Reihe ein gleichseitiges Dreieck bildet. Die Platten 64 und 65 sind vorzugsweise gleich. Die Art und "eise, in der gleiche Platten so ausgerichtet werden können, daß eine Anordnung entsteht, wie sie aus Figur 5 ersichtlich ist, geschieht durch Drehung der Platte 65 um JO , und zwar von der Stellung der Platte 64 aus, um eine Achse durch die Platte.

Der Wärmetauscher 60 nach Figur 4 besitzt mehrere gleiche Platten 61, die durch mehrere Abstandshalter 62 getrennt sind. Die Platten 61 mit der Lochanordnung, wie in der Platte 64 gezeigt, wechselt mit Platten ab, die eine Lochanordnung aufweisen, wie durch die Platte 65 angedeutet ist. Die Platten 61 wiederum wechseln mit Abstandshaltern 62 ab. Die Platten 61 können aus Aluminium hergestellt werden, und die Löcher darin können durch Bohren, Stanzen öder Ätzen oder durch andere geeignete Maßnahmen hergestellt werden. Der Abstandshalter kann aus Kunststoffmaterial hergestellt werden, das sich leicht mit Aluminium verbinden lässt. Wenn die Platten 61 und die Abstandshalter 62 ao angeordnet werden, daß die Öffnung ^I und die Offnungen J2 und 73 des Abstandshalter 63 ausgerichtet werden, so werden z\.e± Kanäle 95 und 96 gebildet, die der entsprechenden Öffnung 7I ^un<3-den Öffnungen 72 und 73 zusammengenommen, entsprechen. Die Querwände 68 und 69 benachbarter'Abstandshalter 62 sind natürlich dabei zueinander nicht ausgerichtet, um eine Bewegung des Strömungsmittels durch alle Teile des äußeren Kanals 96 zu erlauben.

An jedem Ende des Wärmetauschers 60 ist eine Abschlusskonstruktion vorgesehen. Das Kopfstück 84 besitzt ein kreisrundes becherförmiges Element 85, das eine konzentrische zylindrische Querwand 86, die von dem Boden desselben ausgeht, besitzt. Wenn das Kopfstück 84 an das Ende des Wärmetauschers befestigt wird, kommt die Nase des Bechers 85 mit dem Rand des Trennelementes 62 und die Nase des Zylinders 86 mit dem Querwandteil 67 des Trennelementes 62 in

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Kontakt, wodurch, eine feste und dichte Verbindung entsteht« Das Kopfstück 90 am anderen Ende des Wärmetauschers ist dem Kopfstück 84 ähnlich. Ein Leitungs-oder Kanalänschlusspaar 91 und 92 ist an jedem Ende vorgesehen, die jeweils die Verbindung zu den zwei Kanälen 95 und 96, welche der Öffnung 71 und den Öffnungen 72 und 73 des Abstandshalters 65 entsprechen, herstellen. Der Kanal 95 kann einen Kanal eines ^egenstromwärmetauschers bilden und der andere Kanal 96 einen entsprechenden. Durch die Anordnung gleicher Platten, die wie oben beschrieben, im Wärmetauscher angeordnet sind, wird .

beT/irkt, daß der Strömungsmittelfluss durch den. Wärmetauscher durch

einen gekrümmten oder gewundenen Pfad erfolgt. ■ ■ ^

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In Figur 6 sind dicht beieinanderliegende Plattenabschnitte 64 und der Figur 5 dargestellt. Das Teil Ιοί entspricht dem gestrichelt gezeichneten Teil 1o2 und der Platte 64, und das Teil 1o3 entspricht dem gestrichelt gezeichneten Teil I04 der Platte in Figur 5> ^^e Öffnungen 75 i*¹ den Teilen der Platte sind in mehreren parallelliegenden Reihen I00 angeordnet» Die Löcher in jeder Reihe sind ■ ■ - " --ο -

gleich, weit voneinander entfernt. Die Löcher sind derartig voneinander entfernt, daß die Mitte eines Loches in;einer Reihe mit den Mitten der zwei benachbarten Löcher in einer benachbarten Reihe ein gleichseitiges Dreieck bilden. Das gleichseitige Dreieck ist in gestri- · chelter Form angedeutet und mit io5 bezeichnet. Eine Versetung: der ,jj

gleichen Teile Ιοί und 1o3 wird einfach dadurch erreicht, daß eine "Drehung des^{; x}eiles I03 um eine Achse rechtwinklig zur Ebene der Platte um J0 ooer um ein ungrades Vielfaches davon durchgeführt wird·,

Die Löcher 75 besitzen einen derartigen Durchmesser und sind von benachbarten Löchern in einer Platte so weit entfernt, daß ein guter Wärmefluss in den Platten zwischen den Kanälen erzielt wird. Die Löcher 75 sind vorzugsweise alle vom gleichen Durchmesser, obgleich die Durchmesser auch variiert werden können, wobei jedoch die Mitten der Löcher einer jeden Reihe und die Reihen gleich weit voneinander entfernt gehalten werden," so daß «ine gleichseitige Dreieoksbeziehuhg zwischen einer Mitte eines Loches in einer Reihe in Bezug auf die zwei benachbarten Mitten der Löcher einer benachbarten Reihe aufrechterhalten bleibt. 2 Q 9 8 0 8 / Ο 7 3 2

Claims (3)

1. Patentansprüche

   J1 .!Wärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen z.vei seiner Bereiche, ^^ dadurch gekennzeichnet, daß mehrere hochtleitfähige poröse Platten (14,15) und mehrere Trennelemente (13) geringer Leitfähigkeit vorhanden sind, wobei sich ein Trennelement (13) zwischen und in Kontakt mit benachbarten Platten (14,15) befindet, und jedes Trennelement (13) einen umschließenden Randteil (16) und ein Quenrandteil (i6a, i6b) besitzt, das sich zwischen und insammenhängend mit den Teilen des Randteiles (16) erstreckt, daß die Abstandshalter so ausgerichtet sind, daß ein Jianalpaar (17» und 18,19) entsteht, daß jede poröse Platte (14,15) mehrere Reihen ,von Löchern (26,27) aufweist, deren Mitten auf gleica weit entfernten parallelen Linien liegen, und die Löcher in jeder Reihe gleich weit voneinander entfernt sind, wobei die Löcher in einer Reihe jeweils mit zwei benachbarten Löchern in einer benachbarten Reihe ein gleichseitiges Dreieck bilden, daß eine Reihe in einer Platte zu einer entsprechenden Lochreihe in einer benachbarten Platte um einen Winkel eines ungeraden Vielfachen von JO gedreht ist, wobei die Löcher in einer Platte von den Löchern in einer benachbarten Platte maximal versetzt sind·
2. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß jedes Trennelement (13) einen langgestreckten umriss besitzt, der im rechten Winkel zueinanderstehend eine lange und eine kurze Ausdehnung besitzt und an benachbarten Platten (14»15) haftet, die einen rechteckigen Umriss und Lochreihen (26,27) i*¹ jeder Platte besitzen, die unter einem Winkel von 45 iⁿ Bezug auf eine lange Seite einer Platte und unter einem Winkel von 135 in Bezug auf die lange Seite einer anderen Platte ausgerichtet sind und daß die Platten bündig zusammengepackt sind.
3. 3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Trennelement (63) und jede der Platten (64»65) einen kreisförmigen Umriss aufweist und daß entsprechende Reihen benachbarter Platten um 3O voneinander versetzt sind·

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   4· Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2 oder 5» dadurcfegeken.n z e i c h η e t, daß die Löcher gleiche Durchmesser aufweisen.

   5· Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 4» dad u r c h g e k e η η zeichnet, daß eine Seite eines gleichseitigen Dreiecks doppelt so groß ist wie der Durchmesser eines Loches.

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