DE2705316A1

DE2705316A1 - Waermeaustauschanlage

Info

Publication number: DE2705316A1
Application number: DE19772705316
Authority: DE
Inventors: Josef Refle
Original assignee: SUNDSTRAND DEUTSCHLAND GmbH
Current assignee: SUNDSTRAND DEUTSCHLAND GmbH
Priority date: 1977-02-09
Filing date: 1977-02-09
Publication date: 1978-08-10
Also published as: FR2380512A1

Description

ΡΛΤ EN TAN V/ALT

DIPL-INQ. H. J. HÜBNER

D-896Kempten,Mozartstr.21,Ruf0831/23291 4 / U O O ID

2. Februar 1977/ck

AnmelderIn: Sundstrand (Deutschland) GmbH, 8034 Germering Anwaltsakte: G 311

Wärmeaustauschanlage

Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauschanlage mit einem von Kühlluft beaufschlagbaren Wärmeaustauscher, der ein Rohrschlangensystem aufweist, welches einen Anschluß zur Zufuhr des warmen Mediums und einen Anschluß zur Abfuhr des abgekühlten und/oder kondensierten Mediums aufweist.

Solche Wärmeaustauschanlagen sind beispielsweise bei Kältemaschinenanlagen bekannt. Der Kondensator wird in vielen Fällen luftgekühlt. Nachteilig ist, daß die abzuführende Wärme der Kühlluft Verlustwärme ist und zusätzlich für das KühJliftgebläse Energie benötigt wird.

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Aufgabe der Erfindung ist es, die der bekannten Wärmeaustauschanlage anhaftenden Nachteile zu vermeiden und diese insbesondere dahingehend auszubilden, daß die im Wärmeaustauscher anfallende Wärmeenergie wiederverwendet werden kann, ohne die Kosten der Anlage maßgeblich zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wärmeaustauscher mindestens ein weiteres Rohrsystem aufweist, das in Wärmeaustauschbeziehung zum ersten Rohrschlangensystem steht und das von dessen Anschlüssen unabhängige Ein- und Austrittsanschlüsse aufweist, so daß dem wärmeabgebenden Medium durch Kühlluft und/oder durch das im weiteren Rohrsystem strömende Kühlmittel Wärme entziehbar ist.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist das weitere Rohrsystem in einen geschlossenen Rohrleitungskreis eingeschaltet, der eine Umwälzpumpe und ein eigenes Wärmeaustauschaggregat af weist. Vorzugsweise liegt der Eintrittsanschluß des wärmeabgebenden Mediums dem Austrittsanschluß des wärmeaufnehmenden Mediums benachbart, wobei die Rohre beider Rohrschlangensysteme parallel angeordnet sind und die beiden Wärmeaustauschmedien im wesentlichen im Gegenstrom zueinander geführt sind.

Im Fall, daß der Wärmeaustauscher als Kondensator einer Kältemaschinenanlage ausgelegt ist, besteht der Vorteil der

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Erfindung darin, daß dieser Kondensator wahlweise von einem flüssigen Kühlmittel und/oder von Kühlluft beaufschlagbar ist. Das Wärmeaustauschaggregafc des geschlossenen Rohrleitungskreises für das flüssige Kühlmittel hat vorzugsweise einen Heizkörper oder eine Heizschlange, mittels welchen z.B. Garagen, Fahr- und Gehwege, Parkplätze usw. beheizt werden können.

Wesentlich ist, daß die im Wärmeaustauscher anfallende Wärme, im Fall einer Kältemaschinenanlage also die Kondensationswärme, nicht nowendigerweise durch die Kühlluft an die Umgebung abgegeben wird, sondern daß sie in einem Sekundärkreis aufgenommen wird und zur Beheizung irgendwelcher Medien herangezogen werden kann. Das Umwälzen des flüssigen Wärmeaustauschmittels erfordert weniger Energie, als das Betreiben des Kühlluftgebläses, so daß der Wirkungsgrad der Anlage erhöht wird. Zusätzlich wird die anfallende Kondensationswärme nutzbringend verwendet. Außerdem wird die Umwelt nicht mit aufgewärmter Luft belastet.

Das Wärmeaustauschaggregat des geschlossenen Sekundärrohrleitungssystems kann auch als Kondensator einer Wärmepumpenanlage ausgebildet sein, deren Verdampfer dann das weitere Rohrschlangensystem im Wärmeaustauscher der Primäranlage darstellt. Die Kondensiionswärme einer Kältemaschinenanlage kann also direkt zur Verdampfung des Kältemittels in der

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Wärmepumpenanlage verwendet werden. Der Wärmeaustauscher stellt dann primärseitig einen Kondensator und sekundärseitig einen Verdampfer dar.

Die Erfindung ist nicht auf Kältemaschinenanlagen beschränkt, Der Wärmeaustauscher kann auch mit anderen nicht kondensierenden Medien oder kondensierenden Medien betrieben werden, die nicht als Kältemittel gelten, so insbesondere in der chemischen Industrie, in welcher die Abwärme im Wärmeaustauscher zur Vorwärmung anderer Medien benutzt werden kann.

Generell könnte man im Falle einer Kältemaschinenanlage das Kältemittel wahlweise in einem luftgekühlten Kondensator oder in einem wassergekühlten Kondensator kondensieren, wobei letzterer dann zu dem Sekundärkreis gehört. Mit Umschaltventilen und einer entsprechenden Steuerung ließe sich dann entweder der eine oder der andere Kondensator in den Kältemittelkreislauf einschalten. Gegenüber einer solchen Anlage hat die erfindungsgemäße Anlage den Vorteil der " erheblich geringeren Herstellungskosten, da einmal der zusätzliche wassergekühlte Kondensator ganz entfällt und zusätzlich die Umschalt-Steuerorgane fortfallen. Die Erfahrungen der Anmelderin haben gezeigt, daß für die Erfindung herkömmliche luftgekühlte Kondensatoren verwendet werden können, bei denen lediglich durch entsprechende andere Anbringung der Verbindungsrohrbögen an den Stirnseiten des

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Kondensators zwei getrennte Rohrsysteme geschaffen werden, deren eines an den Primärkreis und deren anderes an den Sekundärkreis anzuschließen ist. Die Mehrkosten eines solchen erfindungsgemäßen Kondensators leigen etwa 20 % höher als bei einem herkömmlichen luftgekühlten Kondensator mit gleich großer kältend.ttelseitiger Wärmeaustauschfläche. Mit diesen geringen Mehrkosten wird aber eine erheblich größere Variabilität der Anlage geschaffen und im Fall, daß Abwärme benötigt wird, der Wirkungsgrad der Kältemaschinenanlage ganz merklich erhöht.

Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher, der ein Rohrleitungssystem mit einer Anzahl nebeneinander und ggf. versetzt übereinander angeordneten Rohren aufweist, die außen miteinander durch rechtwinklig dazu angeordnete parallele Lamellen oder Rippen miteinander verbunden sind und die außerhalb des Lamellenpaketes durch Rohrbögen oder dgl. strömungsmittelseitig miteinander verbunden sind ist dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres strömungsmittelseitig vom ersten Rohrleitungssystem getrenntes zweites Rohrleitungssystem vorgesehen ist und daß für beide Systeme unabhängige Ein- und Austrittsanschlüsse vorgesehen sind. Bei diesem Wärmeaustauscher besteht eine Ausführung darin, daß in parallelen Ebenen liegende Rohrschlangen vorgesehen sind und daß die Rohrschlangen benachbarter Ebenen zu unterschiedlichen Systemen gehören und daß jede Rohrschlange

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mit einer Rohrschlange der jeweils übernächsten Ebene strömungsmittelseitig verbunden ist. Die Rohrschlangen benachbarter Ebenen werden um einen halben Rohrabstand versetzt eingebaut. Daraus ergibt sich, daß - im Querschnitt gesehen - jedes Rohr eines Systems im Zentrum eines Quadrates liegt, dessen Ecken von Rohren des anderen Systems gebildet sind. Sowohl durch Strahlung als auch durch Wärmeleitung über die Lamellen wird somit eine günstige Wärmeübertragung zwischen beiden Systemen geschaffen.

Eine alternative Ausbildung des Wärmeaustauschers ist darin zu sehen, daß die beiden Rohrleitungssysteme durch Doppelmantelrohre gebildet sind, deren Ringräume strömungsmittelseitig miteinander verbunden sind und Anschlüsse für das wärmeabgebende Medium aufweisen und deren in den Kernrohren gebildete Innenräume außerhalb des Lamellenpaketes strömungsmittelseitig verbunden sind und die Anschlüsse für das wärmeaufnehmende Medium aufweisen. Die Herstellung eines derartigen Wärmeaustauschers ist zwar teurer als die erste Alternative, jedoch kann er kompakter gebaut werden und der Wärmeübergangswiderstand zwischen dem wärmeabgebenden Medium und der wärmeaufnehmenden Flüssigkeit: ist geringer.

Anhand der Zeichnung, die zwei Ausführungsbeispiele zeigt, sei die Erfindung näher beschrieben.

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Es zeigt:

Fig. 1 die schematische Ansicht einer Wärmeaustausahanlage, Fig. 2 einen Querschnitt durch den in Fig. 1 dargestellten

Wärmeaustauscher und
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine alternative Ausbildung des Wärmeaustauschers.

In Fig. 1 ist mit ausgezogenen Linien ein Kältemittelkreislauf 10 und mit strichpunktierten Linien eine Wärmeübertragungskreis 12 veranschaulicht. Der Kältemittelkreislauf 10 wird als Primärkreis und der Wärmeaustauschkreis 12 als Sekundärkreis bezeichnet. Zum Primärkreis 10 gehört ein Verdampfer 14, ein Kompressor 16, ein Wärmeaustauscher 18, in dem das komprimierte Kältemittel kondensiert wird und ein Expansionsventil 20. Der Wärmeaustauscher ^S ist ein sog. Rippenrohr-Wärmeaustauscher oder Lamellen-Wärmeaustauscher, der aus mehreren in parallelen Ebenen liegenden Rohrstangen besteht, die stirnseitig miteinander durch Rohrbogen in bekannter Weise verbunden sind. Einen Schnitt durch diesen Wärmeaustauscher 18 zeigt Fig. 2. Dieser Wärmeaustauscher ist als Rippenrohrkühler oder Lamellenrohrkühler ausgebildet, der eine Vielzahl paralleler Rippen 22 aufweist, die zur Erhöhung der Wärmeaustauschfläche dienen. Ein nicht dargestelltes Gebläse drückt Kühlluft in Richtung des Pfeiles 24 durch den Wärmeaustauscher 18 hindurch, wobei die zwischen den Lamellen 22 strömende Luft Wärme aus

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dem Kältemittel entnimmt, das Kältemittel dabei kondensiert und sich selbst aufwärmt.

Im Wärmeaustauscher 18 sind zwei Rohrsysteme untergebracht, die flüssigkeitsseitig voneinander getrennt sind und die zu den beiden Rohrleitungskreisen 10 und 12 gehören. In Fig. 2 tritt z.B. in der obersten Rohrschlange das flüssige und warme Kältemittel links bei E₁₀ ein, läuft dann im ersten Rohr 26 nach hinten, durchströmt den hinteren Verbindungsbogen 28 (gestrichelt dargestellt), strömt dann im nächsten Rohr dieser Rohrschlange nach vorn, durchläuft den vorderen Bogen, tritt in das dritte Rohr ein und wird schließlich bei A₁₀ aus dem Wärmeaustauschbereich herausgeführt, wo sich ein nicht dargestellter Anschluß eines Sammelrohres befindet. In der dritten Rohrschlangenlage ist ebenfalls links der Eintritt E₁₀ für das Kältemittel und rechts der Austritt A₁₀ dargestellt. Die fünfte Rohrschlangenlage hat dieselbe Kältemitteldurchströmung von links nach rechts. Links sind alle Eintrittsanschlüsse E₁₀ an ein Sammelrohr angeschlossen und rechts, wie schon erwähnt, die Austrittsanschlüsse A_1Q. Die Rohrschlangen mit gerader Ordnungszahl, also die zweite Rohrschlange, die vierte Rohrschlange usw. haben rechts den Eintritt E₁₂ und links den Austritt A₁₂. Die rechtsseitigen Anschlüsse E₁₂ sind ebenfalls an ein eigenes Verteilrohr (nicht dargestellt) angeschlossen und die linksseitigen Austritte A₁₂ an ein entsprechendes Sammelrohr.

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Bei der teschriebenen Verbindung der einzelnen Rohrschlangen handelt es sich also um eine &?allelschaltung. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, die einzelnen Rohrschlangen auch hintereinander zu schalten, dann würde der Austritt A₁₀ der obersten Rohrschlange mit dem Eintritt E.q der übernächsten, also dritten Rohrschlange von oben, verbunden werden, wobei sich die Strömung in diesem Rohr umkehren würde. Die dritte Rohrschlange von oben würde dann an der linken Seite ihren Austritt haben, der mit dem darunterliegenden Eintritt der fünften Rohrschlange durch einen Rohrbogen verbunden würde, so daß hier wieder das Kältemittel von links nach rechts strömt. Bei der Hintereinanderschaltung würde die Temperaturänderung nicht von links nach rechts, sondern von oben nach unten erfolgen. Man hätte oben links den Eintritt des Kältemittels und unten rechts den Austritt. Entsprechend würde unten links der Eintritt des Wärmeaustauschmediums im Sekundärkreis 12 und oben rechts dessen Austritt liegen.

Wesentlich ist, dsß bei der Ausbildung gemäß Fig. 2 jedes Wärmeaustauschrohr, mit Ausnahme der unmittelbar an den Rändern liegenden Rohre, im Zentrum eines Quadrates angeordnet ist, dessen Ecken durch vier Rohre des jeweils anderen Systems gebildet sind. Dadurch ergeben sich günstige Wärmeübertragungsverhältnisse durch Strahlung und Wärmeleitung. Ein weiterer Vorteil dieses Systems ist, daß vor-

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handene Werkzeuge zur Herstellung des neuartigen Wärmeaustauschers benützt werden können, denn wie Fig. 2 veranschaulicht, haben die Rohre einer Rohrschlange einen Abstand von 50 mm und benachbarte Rohrschlangen sind jeweils um den halben Rohrabstand gegeneinander versetzt angeordnet, was bei luftgekühlten Kondensatoren üblich ist. Es können also dieselben Rohre und dieselben Lamellen verwendet werden, wrie für herkömmliche luftgekühlte Wärmeaustauscher. Der Unterschied zu ihnen liegt bei dem neuartigen Wärmeaustauscher nur darin, daß die zu einer Rohrschlange benachbarte Rohrschlange einem anderen Strömungskreis angehört, was durch entsprechende Anbringung der Anschlüsse möglich ist.

Wie sich aus Fig. 1 ergibt, tritt das strömende Medium des Sekundärkreises 12 bei E₁₂ in den Wärmeaustauscher 18 ein und verläuft dann im wesentlichen im Gegenstrom längs der strichpunktierten Linie durch den Wärmeaustauscher und verläßt diesen diametral gegenüberliegend am Austritt A₁₂. Mittels einer Umwälzpumpe 30 wird das Wärmeaustauschmittel durch ein Wärmeaustauschaggregat 32 geschickt, in welchem es Wärme an die Umgebung oder an ein sonstiges Medium abgeben kann und sbh dabei abkühlt. Das abgekühlte Wärmeaustauschmittel strömt dann zum Eintritt E₁₂ des Wärmeaustauschers 18 zurück. Das Wärmeaustauschaggregat 32 kann eine Heizschlange oder ein sonstiger Heizkörper sein, der beispielsweise Garagen, Parkflächen, Gehwege, Fahrwege usw.

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beheizt. Eine solche Anlage wäre beispielsweise in Schlachthäusern und dgl. einsetzbar, bei denen der Kältekreislauf 10 für die Gefrierräume benötigt wird, die am Kondensator anfallende Wärme jedoch im Winter durch den Sekundärkreis zur Aufheizung von Räumen oder Böden verwendet warden kann. Im Sommer, wenn die Beheizung nicht erforderlich ist, bleibt die Umwälzpumpe 30 außer Betrieb. Dagegen wird in herkömmlicher Weise das Kühlluftgebläse eingeschaltet, um den Kondensator 18 als luftgekühlten Kondensator zu betreiben. Selbstverständlich liegt es auch im Rahmen dieser Anlage, beide Kühlsysteme gleichzeitig zu verwenden, also das Gebläse laufen zu lassen, während die Pumpe 30 in Betrieb ist, nämlich dann, wenn durch den S&undärkreis 12 nicht genügend Wärme abgeführt werden kann.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine abgewandelte AusfUhrungsform eines Kondensators 19, der ebenfalls aus einem Lamellenkühler besteht, dessen Lamellen in Fig. 3 strichpunktiert angedeutet und mit 22 bezeichnet sind. Der Unterschied zur vorbeschriebenen AusfUhrungsform besteht darin, daß die Rohrschlangen als Doppelmantelrohr ausgebildet sind, also aus einem Außenrohr 34 und einem Innenrohr 36 bestehen. Auch die stirnseitigen Rohrbogen haben einen entsprechenden Doppelmantel. Auf diese Weise werden in jeder Rohrschlange zwei Strömungsmittelräume geschaffen, wobei wesentlich ist, daß der Ringraum 38 vom wärmeabgebenden Austauschmedium, in

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Fig. 1 also dem Kältemittel im Kreislauf 10 durchströmt wird, während im Kernrohr 36 das Strömungsmittel des Kreises 12 läuft. In Fig. 3 werden die Ringräume aller Rohrschlangen an der rechten Seite des Tauschers durch ein nicht dargestelltes Verteilrohr des wärmeabgebenden Mediums miteinander verbunden, während sich auf der linken Seite des Wärmeaustauschers ein entsprechendes Sammelrohr befindet, an dem ebenfalls die Ringräume aller Rohrschlangen angeschlossen . sind. Für das wärmeaufnehmende Medium ist an der linken Seite des Wärmeaustauschers ein Verteilrohr (nicht dargestellt) vorgesehen, an das alle Kernmantelrohre 36 angeschlossen sind. Ein entsprechendes Sammelrohr für die Kernmantelrohre an der rechten Seite des Wärmeaustauschers dient zur Sammlung der im Kondensator erwärmten Flüssigkeit. Bei dieser Ausführung strömt also das Kältemittel von rechts nach links und das wärmeaufnehmende Mittel von links nach rechts durch den Wärmeaustauscher. Auch bei dieser Ausführung gemäß Fig. 3 ist gewährleistet, daß der Kondensator zusätzlich zum laufenden Kühlluftgebläse durch das vorzugsweise flüssige Wärmeaustauschmittel im Sekundärkreis 12 gekühlt werden kann, wie es auch möglich ist, das Kühlluftgebläse ganz abzuschalten, wenn durch den Sekundärkreis 12 genügend Wärme aus dem Kondensator abgezogen werden kann.

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Es leuchxet ein, daß anstelle des Kältemittelkreislaufes 10 auch ein normaler Kühlmittelkreislauf entsprechend dem Kreislauf 12 verwendet werden kann, daß also im Wärmeaustauscher 18 keine Kondensation stattfinden muß, sondern lediglich die umgewälzte Flüssigkeit bzw. das umgewälzte Gas im Primärkreis abgekühlt und im Sekundärkreis angewärmt wird. Andererseits ist es auch möglich, den Sekundärkreis als Wärmepumpenprozeß auszubilden, so daß die Kondensationswärme des Primärkreises gleich der Verdampfungswärme im Sekundärkreis ist, wobei im Fall, daß für den Primärkreis eine größere Kondensationswärme benötigt wird, als sie der Verdampfungswärme im Sekundärkreis entspricht, das Kühlluftgebläse zusätzlich eingeschaltet wird.

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Claims

Pat entansprüche

(1.Jwärmeaustauschanlage, mit einem von Kühlluft beaufschlagbaren Wärmeaustauscher, der ein Rohrschlangensystem aufweist, welches einen Anschluß zur Zufuhr des warmen Mediums und einen Anschluß zur Abfuhr des abgekühlten und/oder kondensierten Mediums aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmeaustauscher (18) mindestens ein weiteres Rohrsystem (12) aufweist, das in Wärmeaustauschbeziehung zum ersten Rohrschlangensystem (10) steht und das von dessen Anschlüssen (E^q, A^q) unabhängige Ein- und Austrittsanschlüsse (E^t ^A12^ aufweist, so daß dem wärmeabgebenden Medium durch Kühlluft und/oder durch das im weiteren Rohrsystem (12) strömende Kühlmittel Wärme entziehbar ist.
2. Wärmeaustauschanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Rohrsystem in einen geschlossenen Rohrleitungskreis (12) eingeschaltet ist, der eine Umwälzpumpe (30) und ein eigenes Wärmeaustauschaggregat (32) aufweist.
3. Wärmeaustauschanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsanschluß (E₁₀) des wärmeebgebenden Mediums dem Austrittsanschluß (A₁₂) ^des wärmeaufnehmenden Mediums benachbart liegt und die Rohre

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ORIGINAL INSPECTED

beider Rohrschlangensysteme (10, 12) parallel angeordnet sind und daß die beiden Wärmeaustauschmedien im wesentlichen im Gegenstrom zueinander geführt sind.
4. Würmeaustauschanlage nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (18) als Kondensator einer Kältemaachinenanlage ausgebildet ist, der wahlweise von einem flüssigen Kühlmittel und/ oder Kühlluft beaufschlagbar ist.
5. Wärmeaustauschanlage nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeaustauschaggregat (32) des weiteren Rohrleitungskreises (12) für das flüssige Kühlmittel aus einem Heizkörper oder einer Heizschlange (32), z.B. zur Heizung von Garagen, Fahr- und Gehwegen besteht.
6. Wärmeaustauschanlage nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeaustauschaggregat (32) des geschlossenen Sekundärrohrleitungssystems (12) als Kondensator einer Wärmepumpenanlage ausgebildet ist, deren Verdampfer das weitere Rohrschlangensystem im Wärmeaustauscher (18) darstellt.
7. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1-6, der ein

Rohrleitungssystem mit einer Anzahl nebeneinander und ggf. versetzt übereinander angeordneten Rohren aufweist,

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die außen miteinander durch rechtwirüig dazu angeordnete parallele Lamellen oder Rippen verbunden sind und die außerhalb des Lamellenpaketes durch Rohrbögen oder dgl. strömungsmittelseltig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres strömungsmittelseltig vom ersten Rohrleitungssystem (10) getrenntes zweites Rohrleitungssystem (12) vorgesehen ist und daß für beide Systeme unabhängige Ein- und Austrittsanschlüsse vorgesehen sind.
8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in parallelen Ebenen liegende Rohrschlangen vorgesehen sind, daß die Rohrschlangen benachbarter Ebenen zu unterschiedlichen Systemen (10, 12) gehören und daß Jede Rohrschlange mit einer Rohrschlange der Jeweils übernächsten Ebene strömungsmittelseltig verbunden ist.
9. Wärmeaustauscher nach Anspruch 7 » dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rohrleitungssystem (10, 12) durch Doppelmantelrohre gebildet sind, deren Ringräume (38) strömungsmittelseitig miteinander verbunden sind und Anschlüsse für das wärmeabgebende Medium aufweisen und deren, in den Kernrohren (36) gebildete Innenräume außerhalb des Lamellenpaketes strömungsmittelseitig miteinander verbunden sind und Anschlüsse für das wärmeaufnehmende Medium aufweisen.

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