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Wärmetauscher
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Die Erfindung beschäftigt sich mit der Ausgestaltung, Herstellung
und Anwendung eines Wärmetauschers, welcher extrem gute Wärmetauschfähigkeit, Korrosionsfestigkeit,
geringe Strömungswiderstandswerte für beide im Wärmeaustausch befindlichen Fluiden,
äusserste Wirtschaftlichkeit bei Herstellung und Gebrauch aufweist und infolge seiner
Ausgestaltungs- und Herstellungsweise mit relativ geringem Aufwand extrem grossflächig
ausgestaltet werden kann.
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Der Wärmetauscher eignet sich beispielsweise als Wasser/ Luft-Wärmeaustauscher
für Trockenkühlsysteme von Kraftwerken oder als Wasser/Wasserdampf-Wärmeaustauscher
für Vakuum-Destillationszellen zur wirtschaftlichen Süsswassergewinnung aus Meereswasser.
Er kann weiterhin für die Lufterwärmung mit gering erwärmtem Wasser (wie es beispielsweise
bei den Kühlsystemen von Kraftwerken in grossen Mengen als "Abwärme" anfällt) zur
Beheizung von GeWächshäusern oder Trocknungsanlagen von Holz, Keramik-Produktionsvorstufen
und dergleichen verwendet werden.
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Der Wärmetauscher kennzeichnet sich zunächst dadurch, dass er aus
einer Vielzahl von längsseitig in zwei Dimensionen nebeneinander angeordneten Kapillarenstücken
mit offenen Stirnseiten besteht, wobei die Kapillarenstücke an ihren beiden Stirnseitenzonen
praktisch auf gleicher Höhe enden dort vorzugsweise eng aneinanderliegend angeordnet
sind und auf der dazwischen liegenden Wärmetauschzone gegenüber ihren jeweiligen
Nachbarn
gespreizt, also mit gegenseitigen Abständen verlaufen.
Die in den Stirnseitenzonen eng nebeneinander angeordneten Kapillarenstücken-Enden
bilden je eine flächige, enge Staffelung ihrer offenen Stirnseiten. Sie können dort
an einem Verteilerbehälter angeschlossen sein oder tauchen in diesen en.
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Das intrakapillare (also das beim Wärmetausch innerhalb der Kapillarenstücke
fliessende) Fluidum strömt aus einer oder mehreren Sammelleitungen in einen solchen
Verteilerbehälter ein, verteilt sich auf die flächig angeordneten offenen Stirnseiten
der Kapillarenstücke und fliesst danach durch die Vielzahl der Lumen der nach dem
Behälter voneinander gespreizt angeordneten Kapillarenstücke. Die eng aneinandergereihten
Enden der Kapillarenstücke bilden mit ihren offenen Stirnseiten eine flächig angeordnete
Vielzahl von Senken für das intrakapillare Fluidum. Ebenso fliesst das intrakapillare
Fluidum aus den Kapillarenstück-Lumen in einen Sammelbehälter, von welchem es durch
eine oder mehrere Sammelleitungen abfliesst.
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Ein bevorzugtes Merkmal des Wärmetauschers besteht darin, dass der
Verteilerbehälter für das intrakapillare Fluidum längsgestreckt ist, und die Gesamtheit
der in ihm eng benachbart angeordneten offenen Stirnseiten der Kapillarenstücke
eine streifenförmige Fläche bildet. Damit weist der Behälter eine rinnenförmige
Ausgestaltung auf. Die Arbeitsweise dieser bevorzugten Wärmetauschervariante kennzeichnet
sich dadurch, dass das aus der oder den Sammelleitungen in den rinnenförmigen Behälter
gelieferte intrakapillare Fluidum zunächst quer zu den Kapillarenachsen, entlang
der Rinne, fliesst, im Behälter in Kapillarenachsenrichtung umgelenkt wird und dort
in die
Vielzahl der streifenförmig gestaffelten, offenen Stirnseiten
der Kapillarenstücke versickert. Dieser besondere Strömungszustand erweist sich
in vielerlei Hinsicht als besonders vorteilhaft. Analog verläuft der Vorgang auf
der Austrittsseite des intrakapillaren Fluidums aus den Kapillaren-Lumen.
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Die für das intrakapillare Fluidum vorgesehenen Verteilerbehälter
können mit der Atmosphäre drucklos frei verbunden sein. Sie können schützend überdacht
sein. Sind sie in der bevorzugten Form rinnenförmig ausgebildet, so stellen sie
in solcher Art atmosphärische Gerinne mit Sicker-, beziehungsweise Quellenbetten
dar, welche von der Vielzahl der offenen Kapillarenstirnseiten gebildet sind.
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Eine wesentliche Variante des Wärmetauschers kennzeichnet sich dadurch,
dass die zweidimensionale Anordnung der Kapillarenstücke in den Behälterzonen und
in den gespreizten, wärmetauschenden Zonen aus einer Addition von Kapillarenstückenschichten
besteht, wobei die Kapillarenstückenschichten im wesentlichen eindimensionale Kapillarenstückenanordnungen
darstellen.
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Insbesondere weist jede dieser Kapillarenstückenschichten eine gespreizte
Lageorientierung der Kapillarenstücke durch Abstandhalter auf, an welche die Kapillarenstücke
befestigt sind. Diese Abstandhalter sind vorzugsweise streifenförmig ausgebildet.
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Weiterhin weisen vorzugsweise die streifenförmigen Abstandhalter Distanzglieder
auf, mit denen sie im wärmetauschenden Teil des Wärmetauschers auch die Kapillarenstückenschichten
untereinander auf gespreizten Abstand halten. Die an den streifenförmigen Abstandhaltern
angeordneten Distanzglieder stützen sich an ihren Nachbarstreifen, insbesondere
an den streifenförmigen Abstandhaltern der benachbarten Kapillarenstückenschicht
ab, sodass schlussendlich eine Spreizung der Kapillarenstücken innerhalb ihres wärmetauschenden
Teils in zwei Dimensionen gewährleistet ist. Dabei sind vorzugsweise die Kapillarenstückenschichten
untereinander über ihre Abstandhalter nicht fest miteinander verbunden, sondern
liegen nur gegenseitig an.
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Insbesondere stehen die streifenförmigen Abstandhalter mit geringstem
Strömungswiderstand in der Flussrichtung des ausserhalb der Kapillarenstücken fliessenden
(interkapillaren) Fluidums. Dies wird dann erreicht, wenn die Flächennormalen der
streifenförmigen Abstandhalter senkrecht zur Strömungsrichtung des interkapillaren
Fluidums stehen. Weiterhin sind die streifenförmigen Abstandhalter vorzugsweise
an den Kapillarenstücken so befestigt, dass ihre Flächennormale auch senkrecht zur
Kapillarenstückenachse steht.
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Vorzugsweise stehen die streifenförmigen Abstandhalter gegenüber der
Schwerkraft hochkant und liegen innerhalb des Wärmetauschers auf ebenfalls zur Schwerkraft
hochkant stehenden streifenförmigen Körpern auf. (Unter Schwerkraft kann in beiden
Fällen auch die überwiegende Komponente der Schwerkraftrichtung gemeint sein).
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Die letztgenannten streifenförmigen Körper sind selbst oder über weitere
streifenförmige Körper, auf denen sie in analoger Weise aufliegen, fest mit einem
Trägergerüst verbunden und übertragen auf dieses die Lasten, die ihnen von den Kapillarenstücken-Schichten
erteilt werden.
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Der Wärmetauscher besteht also vorzugsweise aus einer lageorientierten
Aneinanderreihung von Schichten, die ihrerseits aus praktisch linearen Scharen von
lageorientierten Kapillarenstücken gebildet sind, wobei zwischen den Endenbereichen
der Kapillarenstücke diese zueinander gespreizt stehen und wobei die beiden Seiten
der Kapillarenstücken-Enden je mit offenen Stirnseiten eng aneinanderliegend verbunden
sind und praktisch in einer allen gemeinsamen Flächenzone abschliessen. -Die Distanzglieder,
welche von den streifenförmigen Abstandhaltern getragen werden, können Vorsprünge
dieser streifenförmigen Abstandhalter sein. Es ist aber auch möglich, die Distanzglieder
als zusätzlich aufgebrachte Körper wie Zylinderstücke, Kegel und dergleichen auszubilden.
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Auch Kämme können als lageorientierende Distanzglieder für die streifenförmigen
Abstandhalter dienen. In diesem Falle ist es möglich, den streifenförmigen Abstandhaltern
innerhalb der Kapillarenstückenschicht keine Distanzglieder zuzuteilen und die Kämme
als streifenförmige Auflagemittel und gleichzeitig als abstandhaltende Mittel zu
verwenden.
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Die befestigende Verbindung der Kapillarenstücke mit den (vorzugsweise
streifenförmigen) Abstandhaltern kann dadurch vorgenommen werden, dass man die Kapillarenstücke
mit dem Material der Streifen verschweisst, verklebt und/oder vernäht.
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Die Abstandhalter können lediglich an einer Kapillarenschar befestigt
sein (siehe Fig. 1, die die Abstandhalter/Kapillarenstück-Anordnung im Schnitt senkrecht
zur Kapillarenachse zeigt). Die Abstandhalter können auch die Kapillarenstück-Schar
doppelt, von beiden Seiten, umgeben (siehe Fig. 2, die wie Fig. 1 und die folgenden
bis Fig. 6 eine Schnittdarstellung ist).
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Es ist möglich, wie in den Figuren 3, 4 und 5 dargestellt, die streifenförmigen
Abstandhalter der Form des Kapillarenquerschnittes durch Anbringung von Ausbuchtungen
im Streifenmaterial anzupassen. Im Beispiel der Fig. 5 ist eine formschlüssige Halterung
der Kapillarenstücke durch das streifenförmige Abstandhaltermaterial gewährleistet,
da dieses die Kapillarenstücke mehr als den halben Umfang umfasst. Die Einbringung
der Kapillaren in derartige Mulden lässt sich leicht durch elastische Verdrückung
der Mulden beim Linstossen der Kapillaren bewältigen.
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Eine weitere besondere Ausgestaltung der Befestigung der Kapillaren
an den streifenförmigen Abstandhaltern besteht darin, dass die Kapillaren mindestens
zweischichtig ausgestaltet sind und die äussere Schicht der Kapillaren als Bindematerial
zu den streifenförmigen Abstandhaltern verwendet wird (siehe Fig. 6a vor und 6b
nach der Verbindung).
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Der äussere Mantel der Kapillarenstücke kann dabei eine tiefere Schmelztemperatur
als der innere Mantel und/oder gegenüber dem inneren Mantel eine für bestimmte Lösemittel
grössere Löslichkeit aufweisen. Durch vorübergehende Anwendung von Wärme und/oder
dieser Lösemittel ist es dann möglich, vorübergehend den äusseren Mantel der Kapillarenstücke
zu erweichen, gegenüber dem anliegenden streifenförmigen Abstandhalter klebefähig
zu machen und mit ihm zu verbinden.
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Dabei kann auch der streifenförmige Abstandhalter aus mindestens zwei
Schichten bestehen (wie in Fig. 6 dargestellt), wobei die beiden Schichten analoges
unterschiedliches Verhalten aufweisen wie die beiden unterschiedlichen Mäntel der
Kapillarenstücke.
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Der innere Mantel der mehrschichtigen Kapillarenstücke kann z.B. aus
Polypropylen bestehen, der äussere aus Polycarbonat.
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Letzteres ist beispielsweise gegenüber Methylenchlorid löslich, ersteres
gegenüber diesem Lösemittel inert. Anwendung von Methylenchlorid (flüssig oder in
Dampfform) und gegebenenfalls Wärme sorgen dann für die einwandfreie und fertigungstechnisch
sehr einfache Verbindung von mehrschichtigen Kapillarenstücken und anliegenden mehrschichtigen
streifenförmigen Abstandhaltern.
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Die Kapillarenstücke können aus praktisch endlosen Kapillaren herausgeschnitten
werden.
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Eine bevorzugte Variante des Wärmetauschers kennzeichnet sich dadurch,
dass die Kapillaren spinntechnisch, insbesondere schmelzspinntechnisch erzeugt sind.
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Die Kapillaren bestehen vorzugsweise aus Thermoplasten, wie Polyolefine
oder Polyamide.
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Es ist mit,Spezialdüsen möglich, spinntechnisch mehrmantelige Kapillaren
zu erzeugen.
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Die Kapillaren können nach ihrem Herstellungsprozess radial und/oder
axial verstreckt (molekularorientiert) werden, wobei die radiale Verstreckung unter
vorübergehender Füllung der Kapillaren mittels Gas oder Flüssigkeit und Anwendung
von Druck auf dieses Füllmedium ausgeübt werden kann. Die axiale Verstreckung geschieht
in bekannter Weise durch Längsverzug.
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Beide Verstreckungsarten können bei Normaltemperatur oder auch bei
höheren Temperaturen erfolgen.
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Die Kapillarenstücke und Abstandhalter des Wärmetauschers können ultraviolettstabilisiert
sein, beispielsweise durch Verwendung von schwarz eingefärbten Polyolefinen oder
auch durch Ueberzug mit Lacken oder Metallen.
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Insbesondere können die Kapillaren, oder bei mehrschichtigen Kapillaren
die innere Schicht der Kapillaren aus Glas, insbesondere E-Glas bestehen. Nach speziellen
Verfahren ist es möglich, Glas sehr gut schmelzspinntechnisch zu Kapillaren zu verspinnen.
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Die Kapillaren können nach ihrer Herstellung mit weiteren Schichten
versehen werden. Z.B. können sie mit Fäden oder Drähten umzwirnt, umflochten, umklöppelt
oder umhäkelt werden.
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Sie können aber auch weitere Schichten durch Lackierung oder
durch
galvanische Metallabscheidung erhalten. Auch Kombinationen derartiger Beschichtungen
können durchgeführt werden.
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Als fadenförmiges Umhüllungsmaterial können Fäden oder Bändchen aus
Polyamiden, Polytherephtalat, Glas, Kohlenstoff, Metall dienen.
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Als äussere Lackschichten können Mehrkomponentenharze (z.B.
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Epoxyharze), Silikonharze oder dergleichen verwendet werden.
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Eine Mehrschichtigkeit der Kapillarenstücke kann auen neben der beschriebenen
Befestigungsmethode weitere Vorteile bringen. Beispielsweise ist dadurch eine Erhöhung
der mechanischen Festigkeit der Kapillarenstücke möglich. Durch die Ausgestaltung
einer rauhen Oberfläche der Kapillaren (wie sie z.B.
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durch Umzwirnung und zusätzliche Lackierung erzeugt werden kann, (siehe
Fig. 7a und 7b, die eine solche Kapillare im Schnitt zeigt) erhöht sich die Turbulenz
des interkapillaren Fluidums an der Kapillarenstück-Oberfläche und damit eine Erhöhung
des Wärmeübergangswertes.
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Als Materialien für die streifenförmigen Abstandhalter können verwendet
werden: Thermoplaste, wie ultraviolett-stabilisierte Polyolefine, faserverstärkte
Duroplaste (wie GFK-Werkstoffe) und/oder Metall. Als Klebstoff für die Verbindung
von Kapillarenstücken und streifenförmigen Abstandshaltern kann (neben den oben
genannten Methoden) ein Mehrkomponentenklebstoff (z.B. Polyurethan) verwendet werden.
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Eine dichtende Verbindung der eng gestaffelten Kapillarenstückenenden
geschieht mit Hilfssubstanzen, beispielsweise mit Mehrkomponenten-Polyurethanharzen,
Epoxyharzen Chlorkautschuk, Neoprenkautschuk oder Silikonkautschuk. Auch Kombinationen
dieser Substanzen in schichtenweiser Anordnung sind möglich und besonders vorteilhaft.
Siehe dazu auch die weiter unten angegebene bevorzugte Ausgestaltung und Erzeugungsweise
dieser Stirnseitenzonen.
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Die streifenförmigen Abstandhalter können relativ zum Fluss des interkapillaren
Fluidums schräg gestellte Leitflächen aufweisen, welche eine Verwirbelung des interkapillaren
Fluidums bewerkstelligen und somit die Wirksamkeit des Wärmetauschvorganges erhöhen.
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Die Länge der Kapillarenstücke innerhalb eines Wärmetauschers liegt
vorzugsweise in dem Bereich zwischen 1 m und 20 m, insbesondere zwischen 2 m und
10 m.
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Die Abmessungen der Kapillarenaussendurchmesser liegen vorzugsweise
zwischen 0,5 mm und 10 mm, insbesondere zwischen 1,5 mm und 5 mm.
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Die Wandstärke der Kapillaren liegt vorzugsweise zwischen 0,01 mm
und 1 mm, insbesondere zwischen 0,03 mm und 0,1 mm.
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Der Wärmetauscher kann gegen Hagel und gegen Lichteinwirkung dadurch
geschützt werden, dass oberhalb der Kapillarenstücken-Systeme Prallbleche und dergleichen
angeordnet sind. Diese Prallbleche können schräg gestellt und auch mehrfach übereinander
angeordnet sein.
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Infolge des mit dem Wärmetauscher der beschriebenen Art erreichbaren
extrem geringen Widerstandes für die Bewegung des interkapillaren Fluidums ist es
möglich, derartige Kapillarensätze für Trockenkühlung von Kraftwerken in zwangsbelüfteter
Weise einzusetzen. Die hierfür erforderlichen Gebläse sind entsprechend energiearm
und leise laufend.
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Es ist auch möglich, den Wärmetauscher für verschiedene Anwendungsbereiche
disposibel auszugestalten. Man kann ihn infolge seiner Preiswürdigkeit leicht auswechselbar
nur für kürzere Betriebszeiten einsetzen. -Die Gesamtheit der Kapillarenstücke eines
Wärmetauschers kann zwischen den beiden Stirnseitenzonen im wesentlichen gerade,
und in dieser Weise insbesondere vertikal verlaufen.
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Es ist aber auch möglich, dass zwischen ihren beiden Stirnseitenzonen
die Kapillarenstücke in einer oder in mehreren Schlaufen verlaufen. Dabei können
die Stirnseiten der Kapillarenstücke in einer Höhendifferenz zueinander stehen,
die in der Grössenordnung des für den Durchfluss des intrakapillaren Fluidums erforderlichen
Druckunterschiedes liegt.
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Die Vielzahl der Kapillarenstücke kann hierbei ein kommunizierendes
System bilden, bei welchem das intrakapillare Fluidum von dem Einflussbehälter über
die Vielzahl aller Kapillarenstücken-Schlaufen in den Ausflussbehälter einfliesst.
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Eine besondere Variante des Wärmetauschers besteht nun darin, dass
im Falle eines flüssigen intrakapillaren Fluidums die Schlaufen zwischen den zwei
Verteilerbehältern nach oben führen und jedes Kapillarenstück eine selbständige
Heberleitung bildet und mit seinen Stirnseiten in den jeweiligen Verteilerbehälter
eintaucht.
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Für den Betriebs start eines solchen Wärmetauscher-Systems ist dann
die Füllung der Heberschlaufen erforderlich.
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Dies kann durch Anwendung kinetischer Strömungsenergie an den offenen
Stirnseiten oder durch Druckfüllung und/oder Einsaugfüllung der Kapillarenstücke
mit dem intrakapillaren Fluidum geschehen. Nach Füllung dieses Hebersystems sind
die anfänglichen Füllmassnahmen abstellbar.
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Insbesondere sind die individuellen Heberleitungen der einzelnen Kapillarenstücke
voneinander völlig getrennt und unabhängig voneinander.
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Bei einer solchen Ausgestaltung und Betriebsweise eines Wärmetauschers
ergibt sich unter anderem der Vorteil, dass eventuelle Fehlstellen oder Brüche an
der Wand einzelner Kapillarenstücke keine selbständigen Leckstellen verursachen,
sofern das interkapillare Fluidum Luft oder ein anderes Gas ist. Tritt nämlich eine
Fehlstelle auf, so saugt das betroffene Kapillarenstück das gasförmige interkapillare
Fluidum ein und unterbricht den Fliessvorgang innerhalb der Heberleitung.
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Damit ist eine Art "Selbstheileffekt" des Wärmetauschers gewährleistet.
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In den Zeichnungen sind verschiedene Kapillarenstückanordnungen und
Betriebsweisen des Wärmetauschers dargestellt und beschrieben.
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Die Addition von praktisch eindimensionalen Kapillarenstück-Schichten
zur zweidimensionalen Anordnung des gesamten Kapillarenstück-Paketes eines Wärmetauschers
kann grundsätzlich in zwei verschiedenen Arten geschehen.
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Die erste (siehe Fig. 8a und b) kennzeichnet sich dadurch, dass die
Kapillarenstück-Schichten in Richtung der Längsausdehnung der Verteilerräume liegen.
Die zweite Art (siehe Fig. 9a und b) kennzeichnet sich dadurch, dass die Kapillarenstück-Schichten
quer zur Längsausdehnung der Verteilerräume liegen. Im letzteren Fall haben die
einzelnen Kapillarenstücke eine komplexe gegenseitige Lageanordnung.
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Im ersteren Fall liegen innerhalb einer eindimensionalen Schicht die
Kapillarenstücke auf ihrer ganzen Länge praktisch parallel zueinander.
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Der Wärmetauscher kann als Gleich-, Quer- oder Gegenstrom-Wärmetauscher
bezüglich des intra- und interkapillaren Fluidums ausgebildet sein und im Bereich
der gespreizten Kapillarenstücken-Anordnung in dieser Weise arbeiter.
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Die genannten Merkmale lösen die erfindungsgemässe Aufgabe, mit einem
Minimum an Materialeinsatz einen weitgehend automatisch herstellbaren, betriebssicheren
Wärmetauscher einschliesslich seiner Zu- und Abflussorgane zu bilden, der eine ausserordentlich
grosse Wärmetauscherfläche und ein Minimum an Strömungswiderständen für die im Wärmeaustausch
befindlichen Fluiden (intrakapillar und interkapillar) aufweist. Damit können bisher
ungenügend gelöste Problemstellungen, wie die Trockenkühlung von Kraftwerken mit
einigen 2 Millionen m Wärmetauscherfläche, die Meereswasserdestillation in grossformatigen
Vakuums stufen und dergleichen bezüglich Investition und Betriebskosten extrem wirtschaftlich
gestaltet werden.
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Als intrakapillares Fluidum kann beispielsweise verwendet werden:
Das zu kühlende Wasser vom Kondensationskreislauf eines Kraftwerkes. In diesem Falle
ist das die Kapillaren aussen umfliessende interkapillare Fluidum Luft.
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Das in einem Vielzellen-Vakuumverdampfungssystem aufzuheizende Meereswasser.
Hier ist das interkapillare Fluidum Wasserdampf.
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Das einer Eischzuchtanlage zufliessende, zu erwärmende Frischwasser.
Das interkapillare Fluidum kann hier das aus der Anlage abfliessende Gebrauchtwasser
und/oder das Kühlwasser eines Kraftwerkes sein.
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Das Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers der Erfindung ist
besonders geeignet für rentable, automatische Fertigung.
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Es kennzeichnet sich vorzugswe#ise dadurch, dass Kapillaren nach
dem oben Gesagten erzeugt werden, danach als parallele Schar von Vorratsspulen (oder
von den Spinndüsen oder Beschichtungsanlagen direkt) als sogenannte Ketten, wie
sie bei der Webtechnik bekannt sind, also mit gegenseitigem Abstand parallel zueinander
ablaufen und dergestalt direkt weiter verarbeitet werden, dass quer zu ihnen an
vorbestimmten Stellen Folienstreifen, die vorteilhafterweise mit den beschriebenen
Distanzgliedern versehen sind, aufgelegt und mit ihnen in der beschriebenen Weise
verbunden werden, dass solche Anordnungen von Kapillaren und Folienstreifen zu Blättern
zerschnitten werden, die ihrerseits dann aneinandergereiht werden, womit die zweidimensionale
Anordnung eines Kapillarenstück- Blockes für einen Wärmetauscher entsteht.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltungs- und Herst£llungsweise
des Wärmetauschers besteht darin, dass auf die Kapillarenschicht analog den streifenförmigen
Abstandhaltern an vorbestimmten Stellen streifenförmige, elastische Schaumkörper,
welche mit einer flüssigen Vorstufe eines härtbaren Vergussmaterials imprägniert
werden oder sind, aufgelegt werden.
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Das härtbare Vergussmaterial kann z.B. ein Mehrkomponentengiessharz,
z.B. Polyurethan, sein. Wie die weiter unten beschriebenen Figuren zeigen, können
dann nach dem Zerschneiden zur Kapillarenstück-Schicht und nach Stapeln zum Kapillarenstück-Paket
dieses an einem oder beiden Enden zusammengepresst werden und in diesem zusammengepressten
Zustand die härtbaren Vergussmaterialien zur Aushärtung gebracht werden. Vorzugsweise
stehen dabei die Kapillarenstück-Enden etwas über die mit einer Harzstufe imprägnierten
Schaumstoff-Streifen heraus, sodass beim Zusammenpressen kein flüssiges Giessharz
in die offenen Kapillarenstücke eindringt. Es ist auch möglich, vor dem Zusammenpressen
die Kapillarenstück-Stirnseiten durch eine Hilfsmassnahme zu verschliessen (z.B.
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durch Verschweissen oder Verstopfen mit einer hochviskosen, härtenden
Flüssigkeit) und nach dem Aushärten des Vergussmaterials wieder zu öffnen (beispielsweise
durch Abschneiden der überstehenden Kapillarenstücken-Enden).
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Damit erzielt man automatisch und auf einfachste Weise die innerhalb
eines Kapillarenstückpaketes befindlichen Abschlusswände, welche für die Verteilerbehälter
des einfliessenden und/oder ausfliessenden intrakapillaren Fluidums erforderlich
sein können.
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Auch das Uebereinanderschichten der zerschnittenen Kapillarenblätter
und das eben geschilderte Zusammenpressen an den Enden kann vollautomatisiert werden.
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Die Figuren und ihre Erläuterungen vertiefen das Gesagte.
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Zur besseren Verdeutlichung sind die Figuren gegenüber der Wirklichkeit
masstabsverzerrt dargestellt. Ausserdem wurden aus dem gleichen Grunde wenige Kapillarenstücke
und wenige Kapillarenstück-Schichten gezeichnet, anstelle einer grossen Vielzahl,
wie sie in Wirklichkeit vorkommt.
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Die Figuren und ihre Beschreibungen enthalten weitere Merkmale der
Erfindung bezüglich Ausgestaltung, Erzeugung und Verwendung des Wärmetauschers.
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Die Figuren 1 bis 7 sind bereits im Text beschrieben. An dieser Stelle
werden deshalb nur die einzelnen Bezifferungen angegeben: 1 Kapillare 2 streifenförmiger
Abstandhalter 3 Verbindungsmaterial zwischen Kapillare und streifenförmigem Abstandhalter
4 auf dem streifenförmigen Abstandhalter aufgesetzte oder aus ihm herausgearbeitete
Abstandsglieder 2a äussere Schicht des streifenförmigen Abstandhalters 2b innere
Schicht des streifenförmigen Abstandhalters la innere Kapillarenwand lb äussere
Kapillarenwand lb und 2b verbinden sich durch vorübergehende Erwärmung und/oder
Lösemittelanwendung miteinander, siehe Fig. 6b und obiger Text.
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Bei Figur 7a und b: la innere Kapillarenwand lc äussere Kapillarenwand
5 um die Kapillare gewickelte Versteifungsfäden.
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Die Figuren 8a und b und 9a und b sind ebenfalls im Text beschrieben.
Der Pfeil A deutet in die Richtung der Längsausdehnung der Verteilerräume. Die Figuren
7 und 8 sind räumlich dargestellt. Die weitere Bezifferung entspricht den Bezifferungen
1 bis 7.
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In 8a und 9a sind jeweils je eine eindimensionale Kapillarenschicht
gezeichnet.
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Es soll auch hier darauf aufmerksam gemacht werden, dass unter eindimensionaler
Anordnung der Kapillarenstücken innerhalb einer solchen Kapillarenstück-Schar nicht
nur mit Abständen nebeneinandergeschichtete Kapillarenstücke zu verstehen sind,
sondern auch eine flächige Anordnung nebeneinanderliegender Kapillarenstücke, die
sich gegebenenfalls in bestimmten Bereichen auch etwas überdecken können, insbesondere
in den Bereichen der Enden der Kapillarenstücke. (Siehe dazu auch Fig. 15).
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Entsprechend den verschiedenen Grundanordnungen der eindimensionalen
Kapillarenschichten 8a bzw. 9a in 8b bzw. 9b liegen die streifenförmigen Abstandhalter
4 quer zur Behälterrichtung A (im Falle Fig. 8) und parallel zur Behälterrichtung
A (im Falle Fig. 9).
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Fig. 10 zeigt in räumlicher Darstellung ein einzelnes Kapillarenstück
1, befestigt an zwei streifenförmigen Abstandhaltern 2. Die Striche 6 bezeichnen
Schnitte durch das Kapillarenstück. Das Kapillarenstück braucht nicht unbedingt
in gerader Form im Wärmetauscher angeordnet sein, es kann auch in Bogen- oder Schlaufenform
geführt sein.
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7a und 7b sind die beiden offenen Stirnseiten der Kapillarenstück-Enden.
B ist die Normale auf die Fläche des streifenförmigen Abstandhalters 2. Der unten
dargestellte Abstandhalter 4 hat ein aus ihm selbst durch Faltung herausgearbeitetes
Distanzglied 4, welches die Abstandssicherung zur nächsten eindimensionalen Kapillarenschicht
gewährleistet.
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Wie bereits im Text erwähnt, haben die streifenförmigen Abstandhalter
2 die Aufgabe, die Kapillarenstücke lageorientiert zu halten, das Gewicht der Kapillaren
einschliesslich des Gewichtes der intrakapillaren Füllung zu tragen, sich gegenseitig
durch Distanzglieder 4 zu orientieren und auf streifenförmigen Körpern des Gerüstes
das Gewicht des Kapillarenstück-Paketes abzustützen. Diese Abstützanordnung ist
in Fig. 11 dargestellt. Hier sind zwei Kapillarenstücke 1 an einem streifenförmigen
Abstandhalter 2 befestigt, welcher seinerseits auf streifenförmigen Stützkörpern
8 ruht, welche im Trägergerüst 9 befestigt sind.
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Der Pfeil C zeigt die Schwerkraft an. Vorteilhafterweise verläuft
das interkapillare Fluidum in Richtung der Doppelpfeile D (entweder von oben nach
unten oder von unten nach oben).
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Fig. 12 zeigt eine Aneinanderreihung von vier eindimensionalen Kapillarenstücken-Schichten.
Die Distanzglieder 4 geben, wie in Schnittfigur 12a dargestellt ist, die gegenseitige
Lageorientierung der eindimensionalen Kapillarenstücken-Schichten. Fig. 12b zeigt
den Schnitt aa der Fig. 12a.
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Die streifenförmigen Abstandhalter 2 können wie in Fig. 13 dargestellt,
Leitflächen 9 erhalten5 an welchen das interkapillare Fluidum in seiner Strömung
abgelenkt wird (wie der gekrümmte Pfeil E darstellt).
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Die streifenförmigen Stützkörper 8 der Fig. 11 können, wie in Fig.
14 dargestellt ist, als Kämme ausgebildet sein, zwischen deren Zinken 10 die streifenförmigen
Abstandhalter 2 eingehängt sind. In diesem Falle kann man auf die Distanzglieder
4 verzichten. Auch diese kammartigen, streifenförmigen Stützkörper 8' können, wie
in Fig 11 dargestellt, mit dem Trägergerüst 9 verbunden sein.
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Fig. 15 zeigt eine Variation der Bauart eines Wärmetauschers nach
Fig. 8b. In Fig. 15 sind die Enden der Kapillarenstücke derart zusammengefasst,
dass pro eindimensionaler Kapillarenstücken-Schicht eine räumliche Staffelung der
Enden der Kapillarenstücke erfolgt.
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Im wärmetauschenden Bereich (in welchem die Kapillarenstücken gespreizt
sind) liegt demgegenüber eine echte eindimensionale Lageorientierung der Kapillarenstücke
vor. Durch diese Massnahme der Fig. 15 wird der Bereich der Kapillarenstück-Enden
ausserordentlich eng gestaffelt, sodass die Verteilerbehälter extrem klein ausgestaltet
werden können.
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Fig. 16 zeigt eine Anordnung von vier eindimensionalen Kapillarenstücken-Schichten
nach Art der Fig. 8a mit Anschluss der Kapillarenstück-Enden an je einen Verteilerkörper.
Das intrakapillare Fluidum fliesst in Richtung der Doppelpfeile Fa und Fb in die
jeweiligen Verteilerkörper lOa und lOb ein, das interkapillare Fluidum kann in Richtung
der Doppelpfeile E strömen. (Die Doppelpfeile sind deswegen angegeben, weil es je
nach Anwendungsfall möglich ist, im Gegenstrom oder im Gleichstrom zu arbeiten).
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Das interkapillare Fluidum kann selbstverständlich auch im Querstrom
durch den Wärmetauscher fliessen, was durch die Doppelpfeilrichtung G in Fig. 16
angedeutet ist.
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Im Bereich der Kapillarenstück-Enden können ein oder beide Behälter
lOa und lOb mit den Kapillarenstück-Enden über die abdichtenden Flächen lla/ll'a
und llb/lllb fluidumsdicht verbunden sein. Diese Schichten 11 können durch Verguss
hergestellt werden oder nach einer besonderen Art, die im obigen bereits beschrieben
ist und weiter unten an Figuren noch im einzelnen erläutert wird. Die Kapillarenstück-Enden
l'a und l'b können über diese Verguss-Schichten hinausragen, wie in Fig. 16 dargestellt.
ist.
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Fig. 17 zeigt die oben beschriebene Herstellungsart des Wärmetauschers
mit der Ausgestaltung nach Fig. 8a und 8b. Die Kapillaren 1 werden von den Vorratsspulen
12 in Richtung des Pfeiles H abgezogen. (Anstelle der Vorratsspulen 12 können auch
die Spinndüsen direkt oder die Beschichtungsanlagen für gesponnene Kapillaren angeordnet
sein).
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Danach werden die Kapillaren 1 einer Bearbeitungszone zugeführt, bei
welcher von entsprechenden Vorratsspulen 13 abgewickelte streifenförmige Körper
2 aufgelegt werden und mit den Kapillaren durch (nicht gezeichnete) Klebstoffauftragung
verbunden werden. Vor, während oder nach dieser Verbindung können diese Streifen
2 (durch nicht gezeichnete) Messer abgeschnitten werden und eine eindimensionale
Kapillarenstücken-Schicht durch (ebenfalls nicht gezeichnete) Messer von der Gesamtheit
der zusammenhängenden Einzelkapillaren 1 abgeschnitten werden. Der Prozess wiederholt
sich danach, ist also vollautomatisch durchführbar.
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Bei dieser Herstellungsmethode der Fig. 17 können auch die im obigen
erwähnten und in Fig. 18 noch einmal dargestellten elastischen schaumförmigen Streifen
14 auf Kapillaren (genauso wie die Streifen 2) aufgelegt werden und vorher, während
oder nach diesem Auflegen mit einer aushärtenden Harzschicht versehen werden. Nach
Stapelung der abgeschnittenen eindimensionalen Kapillarenshichtblätter (siehe Fig.
18a) kann durch Anwendung von Druck in Richtung der Pfeile I (siehe Fig. 18b) eine
Verpressung in den Bereichen der
Kapillarenenden erfolgen (wobei
durch die Anwesenheit der Distanzglieder 4 der mittlere Teil der Kapillarenstücken-Anordnung
gespreizt bleibt).
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Nach dieser Verpressung kann durch vorübergehende Wärmeeinwirkung
und/oder durch Härtereinwirkung die in den elastischen streifenförmigen Schaumkörpern
eingetragene und verpresste Giessharzvorstufe ausgehärtet und danach der Druck in
Richtung der Pfeile I gelöst werden.
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Durch diese Massnahme wird, wie bereits oben gesagt, eine sehr einfache
und sichere Erzeugung von dichtenden Schichten 11 (siehe Fig. 16) gewährleistet.
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Wie in Fig. 16 dargestellt, kann man natürlich auch mehr als einen
elastischen und mit Giessharzvorstufe imprägnierten, streifenförmigen Schaumkörper
in einer Kapillarenenden-Zone auflegen und zusätzlich auch einen nachträglichen
Verguss in der Gesamtanordnung aller Kapillarenenden ausführen, sodass schliesslich
mehr als eine Abschluss-Schicht 11 erzielt wird.
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Es soll noch darauf aufmerksam gemacht werden, dass selbstverständlich
der zwischen den beiden Stirnseitenzonen, beispielsweise der in Fig. 18 gezeichnete,
Bereich auch in gekrümmter, schlaufenförmiger oder ähnlicher Gestalt schlussendlich
in das Wärmetauschersystem eingesetzt werden kann.
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Bei der Verwendung von Glas als einziger oder Teilbestandteil der
Kapillarenstücken ist vorteilhafterweise eine nachträgliche vorübergehende Erhitzung
beim Verbiegen der Kapillaren erforderlich. Dabei kann man diese Kapillarenstücken
(durch Anschluss an Druckleitungen) einem Ueberdruck aussetzen, sodass beim Erhitzen
und Verbiegen die Form des kreisförmigen Querschnittes der Glaskapillare weitgehend
erhalten bleibt.
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Fig. 19 zeigtKeine Ausführungsart eines Wärmetauschers, welcher zwischen
den beiden Verteilerräumen 10a und lOb eine schleifenförmige Anordnung der Kapillarenstücke
1 aufweist. Ausserdem ist das Beispiel der Fig. 19 so gewählt, dass der beschriebene
Fall einer multiplen Heberleitung vorliegt. Das intrakapillare Fluidum fliesst bei
Fa ein und bei Fb nach Passieren der einzelnen Kapillarenstücke 1 (die in Fig. 19
nur als Linien dargestellt sind)1 aus. Die Kapillarenstücke 1 sind wiederum durch
streifenförmige Abstandhalter 2 in Einzelschichten lageorientiert. Von den streifenförmigen
Abstandhaltern 2 gehen Distanzglieder 4 aus, welche die einzelnen linearen Kapillarenstücken-Schichten
untereinander im wärmetauschenden Teil spreizen.
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Fig. 20a und 20b zeigen in der Aufsicht und im Schnitt ein Trockenkühlsystem,
welches insbesondere für die Kühlung von Kraftwerken eingesetzt werden kann. Hier
strömt die Kühlluft in Richtung der Pfeile Ea zwischen rinnenförmige Verteilerkörper
10b, an welche längsgestreckte Kapillarenstücken-Wärmetauscher 15 angeschlossen
sind, in eine sternförmige Anordnung derartiger Wärmetauscher ein. (Die einströmende
Kühlluft Eaist nur an einem Sektor gezeichnet, die anderen
Sektoren
weisen entsprechende Lufteinströmungsverhältnisse auf). Im Bereich des Belüfters
16 wird die einströmende Kühlluft in die Vertikale umgelenkt und über die Prallbleche
17 (welche zum Schutz vor Hagel angeordnet sind) vertikal in Richtung des Pfeiles
Eb abgestossen. Die Kühlluft wird durch angeordnete Pflanzen (beispielsweise Bäume
18) gereinigt. Diese Pflanzenanordnungen sind zwischen den einzelnen längsgestreckten
Wärmetauschern und auch ausserhalb des gesamten Sternsystemes angeordnet (in Fig.
20a gepunktet dargestellt). Die Fig. 20b ist ein Schnitt aa von 20a. Es ist türlich
auch möglich, dass im Gegensatz zu Fig. 20b von beiden Seiten des Wärmetauschers
Kühlluft angesaugt wird (was in 20a durch die Pfeile Ea dargestellt ist).
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Der Wärmetauscher ist mit dem GehAuse 19 (durch nicht gezeichnete
Stützkörper) verbunden.
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Die Gesamtanlage der Fig. 20a und 20b ist ein sehr einfaches und effektives
Trockenkühlsystem, da es gewaltige Luftmengen in praktisch horizontaler Lage ansaugen
kann, ohne dass dieser Ansaugeprozess durch die vertikale Abstossung im wesentlichen
beeinträchtigt wird.
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Eine solche sternförmige Anordnung von Wärmetauschern kann einen Durchmesser
von 300 m und mehr (entsprechend einer Länge der längsgestreckten Wärmetauscher
und ihrer rinnenförmigen Verteilerbehälter in der Grössenordnung von 100 m) aufweisen.
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Abstützkörper, Gerüste, Gehäuse und Grosslüfter können vorzugsweise
aus Verbundkörpern gebildet werden, welche aus in Giessharzen eingebetteten Glashohlfasern
bestehen.