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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher.
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Spezieller betrifft die Erfindung einen Wärmetauscher des Typs, der durch ein Gehäuse mit mehreren Kompartimenten für die getrennte Kanalisierung von mindestens zwei wärmeübertragenden Fluidströmen gebildet wird, nämlich mindestens einem primären Kompartiment für die Kanalisierung eines primären Fluidstroms und mindestens zwei sekundären Kompartimenten, die durch ein Rohrbündel mit Rohren miteinander verbunden sind für die Kanalisierung eines sekundären Fluidstroms über die sekundären Kompartimente und durch das Rohrbündel, wobei das Rohrbündel sich durch das primäre Kompartiment erstreckt und das primäre Kompartiment mittels eines Schotts an beiden Enden des Rohrbündels von den sekundären Kompartimenten getrennt ist, und wobei diese Schotte mit Durchgängen versehen sind, worin die Rohre mit einem Ende abdichtend gefasst sitzen.
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Bei bekannten Wärmetauschern des vorgenannten Typs sind die Schotte in einem feststehenden Abstand zueinander in dem Gehäuse angebracht und sind die vorgenannten Enden der Rohre auf feste Weise auf oder an den Schotten befestigt.
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Das Gehäuse und das Rohrbündel sind hauptsächlich aus Materialien mit einem verschiedenen Dehnungskoeffizienten hergestellt.
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Eine solche starre Konstruktion mit Anwendung verschiedener Materialien weist jedoch den Nachteil auf, dass unerwünschte Risse oder Verformungen auftreten können, in Anbetracht dessen, dass die Schotte der Dehnung und Schrumpfung der Rohre infolge der unvermeidlichen Temperaturunterschiede zwischen den Fluidströmen nicht folgen können.
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Durch Temperaturunterschiede können auch differentielle Längenverformungen zwischen den Rohren untereinander auftreten, die ebenfalls nicht durch die starren Schotte aufgefangen werden können.
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Bei einem mehrfachen kombinierten Kühler, wie aus Dokument
BE 1.019.332 auf den Namen der heutigen Anmelderin bekannt, ist dieses Problem noch ausgeprägter.
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Bei solchem kombiniertem Kühler werden nämlich mehrere Rohrbündel in ein und demselben Gehäuse angewendet, welche Rohrbündel sich durch das primäre Kompartiment des Gehäuses erstrecken und welche für eine getrennte Kanalisierung mehrerer Fluidströme bei verschiedenen Temperaturen sorgen, wobei noch größere Temperaturschwankungen auftreten können als im Fall eines einfachen Kühlers.
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Eine Teillösung für das Problem ist beispielsweise aus Dokument
WO 2008/106188 bekannt, worin das Schott an einem Ende des Rohrbündels mittels eines Balgs oder einer Dehnungsverbindung mit einem sekundären Kompartiment des Gehäuses verbunden ist.
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Diese Lösung bietet jedoch noch keine Lösung für die differentiellen Dehnungen der Rohre untereinander.
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Außerdem weist diese Lösung den zusätzlichen Nachteil auf, dass der Wärmetauscher hierdurch eingreifend verändert wird und dass dieser mehr Komponenten benötigt, die Verschleiß unterworfen sind, und mehr Platz in Beschlag nimmt, welcher Platz nicht immer zur Verfügung steht.
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Die heutige Anmelderin hat noch andere Lösungen erdacht, die in zwei noch nicht veröffentlichten Belgischen Patentanmeldungen
BE 2011/0612 und
BE 2011/0690 , die insgesamt durch die Bezugnahme hierin integriert sind, beschrieben sind.
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Die hierin beschriebene Erfindung geht von einer alternativen Ausführungsform aus, die einfach zu verwirklichen ist und eine Lösung für einen oder mehr der hiervor beschriebenen und/oder andere Nachteile bietet.
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Hierzu betrifft die Erfindung einen Wärmetauscher, welcher ein Gehäuse mit mehreren Kompartimenten für die getrennte Kanalisierung von mindestens zwei wärmeübertragenden Fluidströmen umfasst, nämlich mindestens einem primären Kompartiment für die Kanalisierung eines primären Fluidstroms und mindestens zwei sekundären Kompartimenten, die durch ein Rohrbündel mit Rohren miteinander verbunden sind für die Kanalisierung eines sekundären Fluidstroms über die sekundären Kompartimente und durch das Rohrbündel, wobei das Rohrbündel sich durch das primäre Kompartiment erstreckt und das primäre Kompartiment mittels eines Schotts an beiden Enden des Rohrbündels von den sekundären Kompartimenten getrennt ist, und wobei diese Schotte mit Durchgängen versehen sind, worin die Rohre mit einem Ende abdichtend gefasst sitzen, mit dem spezifischem Merkmal, dass mindestens ein Teil der Rohre des Rohrbündels mindestens mit einem Ende in axialer Richtung schwimmend in einem vorgenannten Durchgang eines Schotts gefasst sitzt und dass eine Abdichtung zwischen dem betreffenden Durchgang und dem betreffenden schwimmenden Ende des Rohrs vorgesehen ist.
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Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher bietet den Vorteil, dass die Rohre sich ungehindert in der Länge dehnen und schrumpfen können, ohne durch das Vorhandensein der Schotte behindert zu werden, da sich die schwimmenden Enden der Rohre unabhängig voneinander in den Durchgängen in den Schotten verschieben können.
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Ein anderer Vorteil ist, dass für die schwimmenden Enden keine zusätzlichen Bearbeitungen, wie etwa Schweißen, Hartlöten oder andere Verbindungstechniken, für eine feste Montage der Rohre in den Schotten nötig sind.
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Die Rohrbündel können in der Tat einfach mit ihren schwimmenden Enden in die Durchgänge in den Schotten geschoben werden. Eine Nachbehandlung der Schweißnähte ist dann ebenfalls überflüssig.
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Bevorzugt sind alle Rohre des Bündels mit einem feststehenden Ende und einem schwimmenden Ende versehen, was es ermöglicht, die Schotte und die Rohrbündel auf einfache Weise zu montieren, indem sie ineinandergeschoben werden.
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Die Erfindung ist auch in Wärmetauschern mit Schotten, die auf feststehende Weise in dem Gehäuse montiert sind, einfach anwendbar, was das Montieren solcher Schotte einfach macht und ohne dass hierfür zusätzliche bewegbare Teile oder Abdichtungen nötig sind.
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Die Erfindung ist auch besonders geeignet zur Anwendung in einem kombinierten mehrfachen Kühler mit mehreren Bündeln von Rohren, in Anbetracht dessen, dass die auf die großen Temperaturunterschiede zurückzuführenden großen differenziellen Verlängerungen der Rohre individuell dadurch aufgefangen werden können, dass mindestens ein Ende der Rohre schwimmend ausgeführt ist, während das andere Ende bevorzugt feststehend ausgeführt ist.
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Bevorzugt sind die Rohre runde Rohre mit rundem Querschnitt und wird die Abdichtung zwischen einem Durchgang in einem Schott und einem betreffenden schwimmenden Ende des Rohrs in diesem Durchgang durch einen O-Ring gebildet, der um dieses schwimmende Ende des Rohrs angebracht ist und der bevorzugt in einer Nut in der Umfangswand des betreffenden Durchgangs gefasst sitzt, oder mit anderen Worten durch das Rohrende darin eingeschlossen ist.
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Gemäß einer praktischen Ausführungsform ist mindestens ein Schott aus zwei Platten zusammengestellt, die mit einer anliegenden Seite gegeneinander angebracht sind, wobei der vorgenannte O-Ring zwischen beiden Platten eingeschlossen sitzt, spezieller in einer vorgenannten Nut, die begrenzt wird durch die anliegende Seite einer der beiden Platten und durch eine Nut, die in der anliegenden Seite der anderen Platte, entlang dem Umfang des Durchgangs in dieser Platte, angebracht ist.
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Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Nuten in den Durchgängen einfach zu verwirklichen sind, beispielsweise durch Wegfräsen der Ränder der Durchgänge an einer Seite von einer der beiden Platten.
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Mit der Absicht, die Merkmale der Erfindung besser darzustellen, sind hiernach, als Beispiel ohne jeden einschränkenden Charakter, einige bevorzugte Ausführungsformen eines Wärmetauschers nach der Erfindung beschrieben, unter Verweis auf die begleitenden Zeichnungen, worin:
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1 schematisch einen Schnitt eines einfachen Wärmetauschers nach der Erfindung darstellt, und zwar gemäß Linie I-I in 2;
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2 den Schnitt gemäß Linie II-II in 1 darstellt;
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3 in größerem Maßstab den in 1 mit F3 angedeuteten Teil darstellt;
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4 eine Perspektivansicht gemäß Pfeil F4 in 3 darstellt;
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5 eine Variante eines Wärmetauschers gemäß 1 darstellt;
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6 einen Schnitt gemäß Linie VI-VI in 5 darstellt.
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Der in 1 dargestellte Wärmetauscher 1 umfasst ein Gehäuse 2, das mehrteilig ausgeführt ist, mit einem Mantel 3 und einem Deckel 4, 5 an beiden Enden des Mantels 3, wobei jeder Deckel 4, 5 mittels Bolzen 6 an dem Mantel 3 befestigt ist.
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Das Gehäuse 2 ist mittels Schotten 7 und 8 in drei voneinander getrennte Kompartimente unterteilt, nämlich ein zentral befindliches primäres Kompartiment 9, das durch den Mantel 3 begrenzt wird, und an den Seiten davon zwei sekundäre Kompartimente 10 und 11, die durch die Deckel 4 und 5 begrenzt werden.
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Die Schotte 7 und 8 sind feststehend in dem Gehäuse 2 befestigt, indem sie in diesem Fall jedes mit ihrem Umfangsrand zwischen dem Mantel 3 und einem Deckel 4 oder 5 festgeklemmt sitzen.
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Zwischen den Schotten 7 und 8 und dem Gehäuse 2 sind entlang dem Umfangsrand jedes Schotts 7 oder 8 zwei Abdichtungen 12 vorgesehen, spezieller eine Abdichtung 12 in der Kontaktzone zwischen dem Schott 7 oder 8 und dem Mantel 3, und eine andere Abdichtung 12 zwischen dem Schott 7 oder 8 und der Kontaktzone mit einem Deckel 4 oder 5.
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Die sekundären Kompartimente 10 und 11 sind miteinander verbunden durch eine Serie paralleler starrer Rohre 13 eines Rohrbündels 14, die sich quer durch das primäre Kompartiment 9 erstrecken und die, in diesem Beispiel, jedoch nicht unbedingt, mit einer Serie von Finnen 15 aus einem wärmeleitenden Material, die über die Rohre 13 geschoben sind, versehen sind. In der dargestellten Ausführungsform sind die Rohre 13 als Rohre mit rundem Querschnitt ausgeführt, jedoch ist die Erfindung nicht als solche beschränkt, da auch andere Rohrformen angewendet werden können, wie etwa Rohre 13 mit ovalem Querschnitt oder mit einer noch anderen Querschnittsform.
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Die Rohre 13 sind mit ihren Enden 16 und 17 auf abdichtende Weise in Durchgängen in den Schotten 7 und 8 gefasst, sodass in dem Wärmetauscher das primäre Kompartiment 9 vollständig von den sekundären Kompartimenten 10 und 11 getrennt ist.
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Das primäre Kompartiment 9 ist mit einem Einlass 19 und einem Auslass 20 für die Kanalisierung eines primären Fluidstroms durch das primäre Kompartiment 9 um und über die Rohre 13 des Rohrbündels 14 und quer zur Längsrichtung X-X' der Rohre versehen, wie mit den Pfeilen Q1 dargestellt.
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Das sekundäre Kompartiment 10 ist mit einem Einlass 21 zur Kanalisierung eines sekundären Fluidstroms durch die Rohre 13 des Rohrbündels 14 versehen, wie angegeben mit den Pfeilen Q2, und über das andere sekundäre Kompartiment 11, das zu diesem Zweck mit einem Auslass 22 versehen ist.
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Im Fall von 1 sitzt ein Ende 16 der Rohre 13, das sogenannte feststehende Ende 16, in einem Durchgang 18 des Schotts 8 fest, jedenfalls fest in axialer Richtung X-X', während das andere Ende 17, das sogenannte schwimmende Ende 17, schwimmend in einem Durchgang 18 des anderen Schotts 7 gefasst sitzt, auf solche Weise, dass das schwimmende Ende 17 sich in axialer Richtung X-X' frei in dem Durchgang 18 bewegen kann.
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In dem dargestellten Beispiel ist das feststehende Ende 16 quer durch das Schott 8 angebracht und an der Seite des angrenzenden sekundären Kompartiments 11 an de Schott 8 befestigt.
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Um sich axial bewegen zu können, weist das schwimmende Ende 17 eine leichtes radiales Spiel 23 in dem Durchgang 18 auf.
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Dieses Spiel 23 zwischen dem Durchgang 18 und dem Rohr 13 wird mittels einer Abdichtung 24 um das. betreffende Ende 16, 17 des Rohrs 13 abgedichtet, welche Abdichtung 24 in diesem Fall in Form eines O-Rings ausgeführt ist, der in einer Nut 25 in der Umfangswand des betreffenden Durchgangs 18 gefasst sitzt.
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Im Fall von 1 ist das Schott 7 aus zwei Platten 7A und 7B zusammengesetzt, die mit einer anliegenden Seite 26, 27 gegeneinander angebracht sind und die mit einem übereinstimmenden Lochmuster mit runden Löchern, 18A beziehungsweise 18B, versehen sind, die zusammen die Durchgänge 18 des Schotts 7 bestimmen, wobei diese Löcher einen Durchmesser D18A und D18B aufweisen, der etwas größer als der Außendurchmesser D13 der Rohre 13 ist.
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In der anliegenden Seite 27 der Platte 7B ist entlang dem Umfang jedes Lochs 18B eine Nut oder ein Falz 28 verwirklicht, beispielsweise durch Ausfräsen oder Bohren auf einen größeren Durchmesser D28 als der Durchmesser D13, zur Bildung einer Schulter 29.
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Der vorgenannte O-Ring 24 sitzt zwischen den beiden Platten 7A und 7B eingeschlossen, spezieller zwischen der vorgenannten Schulter 29 und der anliegenden Seite 26 der Platte 7A, die zusammen die vorgenannte Nut 25 in der Umfangswand des Durchgangs 18 begrenzen.
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Auf diese Weise kann solche Nut 25 auf relativ einfache Weise verwirklicht werden.
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Das schwimmende Rohrende 17 ragt nicht vollständig durch das Schott 7, sondern stoppt in axialer Richtung X-X' in einem Abstand H von der zu dem sekundären Kompartiment gerichteten Seite des Schotts 7. Dadurch, dass die schwimmenden Rohrenden 17 nicht hartgelötet werden müssen, müssen sie auch nicht weiter als die vorgenannte Seite in das Kompartiment 10 ragen. Hierdurch können die Rohre 13 kürzer sein als im Fall der herkömmlichen Kühler mit Rohren, die an beiden Enden vorragen müssen, um hartgelötet zu werden, und mit einer vergleichbaren Kapazität. Dies bringt eine Kostenersparnis auf dem Gebiet von Rohstoffen mit sich.
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Die das Schott 7 bildenden Platten 7A und 7B sind in Bezug zueinander mittels einer Dichtung 30 abgedichtet, die sich um die Gesamtheit von Durchgängen 18 für das Rohrbündel 14 in einer Nut erstreckt, die in einer oder in beiden anliegenden Seiten 26 und/oder 27 der zwei Platten angebracht ist.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Ausführungsformen beschränkt, wobei das Schott 7 aus zwei Platten 7A und 7B zusammengestellt ist, da das Schott 7 auch aus einer einzigen Platte bestehen kann, wobei in den Durchgängen Maßnahmen für das Anbringen einer Abdichtung getroffen sind, beispielsweise in Form einer Nut in der Umfangswand der betreffenden Durchgänge, worin ein O-Ring angebracht werden kann. Auch kann das Schott 7 aus mehr dann zwei Platten, woraus es zusammengesetzt ist, bestehen, wobei jeder Durchgang mehrere Nuten zur Anbringung von Abdichtungen umfassen kann oder nicht.
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Die Anwendung eines Wärmetauschers nach der Erfindung unterscheidet sich nicht von der eines herkömmlichen Wärmetauschers und ist wie folgt.
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Gleichzeitig wird ein primärer Fluidstrom Q1 durch das primäre Kompartiment 9 quer über die Rohre 13 des Rohrbündels 14 kanalisiert und wird ein sekundärer Fluidstrom Q2 mit einer höheren oder niedrigeren Temperatur durch die Rohre 13 des Rohrbündels 14 geleitet.
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Mittels der Wand der Rohre 13 findet eine Wärmeübertragung des wärmeren Fluids zu dem kälteren Fluid statt.
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Durch die Temperaturunterschiede können die Rohre 13 sich zusammen ausdehnen, jedoch auch in Bezug zueinander verschieden sein.
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Dadurch, dass die Rohre 13 mit einem schwimmenden Ende 17 in axialer Richtung X-X' schwimmend in den Durchgängen 18 des Schotts 7 angebracht sind, können alle Rohre 13 sich individuell ungehindert ausdehnen oder schrumpfen, wodurch keine unerwünschten Spannungen in den Rohren 13 und in den Schotten 7 und 8 entstehen können, die zu Rissen oder Verformungen führen könnten.
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Die Schotte 7 und 8 und die Rohre 13 können daher auch dünner und leichter ausgeführt werden, was zu einer zusätzlichen Material- und Gewichtsersparnis und einer effizienteren Wärmeübertragung führen kann.
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Obwohl die Rohre 13 bevorzugt ein feststehendes Ende 16 und ein schwimmendes Ende 17 aufweisen, ist es nicht ausgeschlossen, dass beide Enden schwimmend ausgeführt sind.
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Es ist auch nicht ausgeschlossen, dass sich alle schwimmenden Enden 17 in ein und demselben Schott 7 oder 8 befinden und alle feststehenden Enden 16 in dem anderen Schott 8 oder 7. Die schwimmenden Enden 17 können beispielsweise abwechselnd in dem einen oder in dem anderen Schott vorgesehen sein.
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Es ist deutlich, dass das Gehäuse 2 nicht unbedingt mehrteilig ausgeführt sein muss, obwohl dies für die Montage und Wartung sehr praktisch ist.
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Es ist nicht ausgeschlossen, dass eventuell beide Enden einer kleinen Anzahl Rohre 13 des Rohrbündels als feststehendes Ende ausgeführt sind, obwohl bevorzugt wird, dass alle Rohre 13 mindestens ein schwimmendes Ende 17 besitzen.
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In 5 ist eine Variante eines Wärmetauschers 1 nach der Erfindung dargestellt, in Form eines doppelten kombinierten Wärmetauschers mit zwei getrennten Rohrbündeln 14A und 14B, die sich durch ein gemeinsames primäres Kompartiment 9 erstrecken, jedes für das getrennte Kanalisieren zweier sekundärer Fluidströme, Q2A beziehungsweise Q2B, jeder mit einer eigenen Temperatur, die von der Temperatur des primären Fluidstroms Q1 verschieden ist.
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Jedes Rohrbündel 14 ist mit zwei halbkreisförmigen Schotten 7 und 8, beziehungsweise 7A und 8A für das Rohrbündel 14A und 7B und 8B für das Rohrbündel 14B versehen, welche Schotte jedes mit Abdichtungen 12 in Bezug auf das Gehäuse 2 versehen sind, die sich um die Gesamtheit von Durchgängen 18 in dem betreffenden Schott erstrecken.
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Der oberste Teil mit dem Rohrbündel 14A des Wärmetauschers von 5 ist in diesem Fall mit einem Einlass 21A an einem Ende des Rohrbündels 14A und einem Auslass 22A am anderen Ende ausgeführt, wobei die Strömung in den Rohren 13A für alle Rohre 13A des Rohrbündels 14A die gleiche ist.
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Im untersten Teil mit dem Rohrbündel 14B des Wärmetauschers 1 von 5 sind der Einlass 21B und der Auslass 22B an demselben Ende des Rohrbündels 14B vorgesehen, nämlich in dem Deckel 4, wobei am anderen Ende des Rohrbündels 14B ein sekundäres Kompartiment 31 in dem Deckel 5 vorgesehen ist, das mittels Umkehrschotten 32 in Teilkompartimente für das Umkehren des Fluidstroms Q2B in die Richtung des Deckels 4 unterteilt ist, wie in 5 abgebildet.
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Auch im Deckel 4 sind solche Umkehrschotte 32 vorgesehen.
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Die Strömung in den Rohren 13B des Rohrbündels 14B verläuft in diesem Fall in hin- und hergehenden Bewegungen durch das primäre Kompartiment 9.
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Außer den Vorteilen der vorliegenden Erfindung weist ein kombinierter Wärmetauscher 1 gemäß 5 den zusätzlichen Vorteil auf, dass er kompakter ausgeführt werden kann, als wenn zwei getrennte einzelne Wärmetauscher hintereinander in den primären Fluidstrom Q1 gesetzt würden, wodurch der kombinierte Wärmetauscher 1 weniger Platz in Beschlag nimmt und durch seine Kompaktheit auch weniger Wärmeverluste aufweist.
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Der Gebrauch eines kombinierten Wärmetauschers
1 wird beispielsweise in den vorgenannten, noch nicht veröffentlichten Belgischen Patentanmeldungen
BE 2011/0612 und
BE 2011/0690 , wie auch in
BE 1.019.332 , erläutert, alle auf den Namen der heutigen Anmelderin, zur Anwendung in einer Verdichteranlage mit einem Trockner für die verdichtete Luft. Diese Patentschriften werden durch die Bezugnahme als insgesamt in die vorliegende Patentanmeldung integriert betrachtet, insbesondere diejenigen Passagen, die sich auf die Anwendung eines kombinierten Wärmetauschers in einer Verdichtereinrichtung beziehen.
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Die vorliegende Erfindung ist keineswegs auf die als Beispiel beschriebenen und in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt, vielmehr kann ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher in vielerlei Formen und Abmessungen verwirklicht werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- BE 1019332 [0007, 0067]
- WO 2008/106188 [0009]
- BE 2011/0612 [0012, 0067]
- BE 2011/0690 [0012, 0067]
