DE2901281A1 - Lamellenblock, geeignet zur anwendung in einem mit einem expansionsventil versehenen bereifenden kuehler, insbesondere einem luftkuehler - Google Patents

Lamellenblock, geeignet zur anwendung in einem mit einem expansionsventil versehenen bereifenden kuehler, insbesondere einem luftkuehler

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DE2901281A1 DE19792901281 DE2901281A DE2901281A1 DE 2901281 A1 DE2901281 A1 DE 2901281A1 DE 19792901281 DE19792901281 DE 19792901281 DE 2901281 A DE2901281 A DE 2901281A DE 2901281 A1 DE2901281 A1 DE 2901281A1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lamellenblock, geeignet zur Anwendung in einem mit einem Expansionsventil versehenen bereifenden Kühler, insbesondere einem Luftkühler, versehen mit einem durch Entlangführen des zu kühlenden gasförmigen Fluidums als Wärmeaustauscher anzuwendenden Verdampfungselement mit einer Fluidumzufuhr- und einer Fluidumabfuhrseite, welches Verdampfungselement ein oder mehrere Rohrsysteme umfasst, dem oder denen flüssiges· Kältemittel zugeführt werden kann, verdampft -und der gebildete Dampf überhitzt werden kann, jedes der Rohrsysteme ein schlangenartig gebogenes Rohr umfasst aus miteinander durch gebogene Rohrteile verbundenen parallelen Rohrsegmenten, die im wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung derselben in Wärmeleitungskontakt damit stehende Lamellen, durch welche alle Rohre wärmeleitend miteinander verbunden sind, enthalten, wobei die Rohrsysteme in dem Verdampfungselement mit den parallelen Rohrsegmenten im wesentlichen senkrecht zu der Richtung von Fluidumzufuhr- nach Fliiidumabfuhrseite geschaltet sind unter Bildung einer Zone für verdampfendes Kältemittel und einer Zone für Ueberhitzung von Kältemitteldampf, welche Zonen im wesentlichen senkrecht zu der genannten Richtung von Fluidumzufuhr- nach Fluidumabfuhrseite stehen, und die Zone für Ueberhitzung des Kältemitteldampfes auf die der Fluidumzufuhrseite zugewandte Seite des Verdampfungselementes liegt.
Luftkühler, in denen solche Lamellenblöcke angewendet werden, sind allgemein bekannt und werden z.B, in der Broschüre Hr. D30, 11-76 der Apparatenfabriek Helpman U.V. in Groningen beschrieben.
Die Wirkung eines einen solchen Lamellenblock enthaltenden Kühlers, z.B. eines Luftkühlers, beruht auf Verdampfung einer Flüssigkeit mit einem niedrigen Siedepunkt in dem als Wärmeaustauscher anwendbaren Verdampfungselement, das zusammengesetzt ist aus einem oder mehreren Rohrsystemen aus im wesentlichen in der flachen Ebene unter Bildung von parallelen Rohrsegmenten hin und zurück gebogenen Rohren, von denen alle Rohre durch die Lamellen wärmeleitend miteinander verbunden sind. Dabei häufig angewendete Flüssigkeiten oder Kältemittel sind z.B. verschiedene Arten Halogenkohlenwasserstoffe und Ammoniak (NH ) mit Siedepunkten unter Atmosphärendruck s variierend von ca. -25 bis —1+5 C. An der Aussenseite sind die parallelen Rohrsegemente mit Lamellen versehen zur Vergrösserung der wärmeubertragenden Oberfläche an der Luftseite, wobei das Rohrsystem durch die Lamellen zu einem Lamellenblock kombiniert ist.
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Die zum Verdampfen des Kältemittels benötigte Wärme -wird der Umgebung entzogen, und zwar dem an dem Verdampfungselement entlaig zu führenden gasförmigen Fluidum, z.B. Luft. Die so gekühlte Luft wird nach dem zu kühlenden Raum, z.B. einer Kühlzelle oder einer Gefrierzelle für Lagerung von Produkten, wie Fleisch, Obst, Molkereiprodukte usw., rezirkuliert. Der Luftstrom längs dem Verdampfungselement kann das Resultat natürlicher Luftzirkulation oder forcierter Luftzirkulation sein. In letzterem Fall kann man einen oder mehrere Ventilatoren, die Luft durch den Lamellenblock blasen oder saugen, anwenden. Die Kombination aus Lamellenblock mit Ventilatoren kann durch eine Plattenanordnung, welche aus gegebenenfalls einer oberen Platte, Seitenplatten, einer Ventilatorenplatte und einetr Tropfschale an der Unterseite besteht, fertig bearbeitet werden und mit den benötigten Anschlüssen und Vorkehrungen zur Befestigung des Luftkühlers an der Decke oder der Wand des zu kühlenden Raums versehen werden.
Der in dem zu kühlenden Raum, z.B. einer Kühlzelle, angeordnete Luftkühler ist ein Teil eines geschlossenen Kreis laufes, der bei einer auf dem Kompressionssystem basierten Kühlanlage weiter einen Kompressor umfasst, mit dem der aus dem Luftkühler angesaugte Nie der druckdampf zu Hochdruckdampf komprimiert wird; einen Kondensor, in dem der Hochdruckdampf mit Wasser oder Luft gekühlt wird, wodurch Kondensation unter Bildung von Hochdruckflüssigkeit auftritt, welche Flüssigkeit gegebenenfalls über ein Flüssigkeitsgefäss und über ein Drosselorgan in den Luftkühler gepresst wird. Das Drosselorgan ist meistens ein thermostatisches Expansionsventil, in dem eine Druckherabsetzung in dem flüssigen Kältemittel auftritt, wobei ein Teil der Flüssigkeit verdampft. In dem Rohrsystem des Verdampfungselementes erfolgt der eher angegebene Verdampfungsprozess, wobei die zugeführte Kiederdruckflüssigkeit verdampft und die Wärme, die für diese Verdampfung notwendig-is j der von den Ventilatoren durch den Lamellenblock geblasenen Luft entzogen wird.
Der Kompressor ist zum Komprimieren von Dampf konstruiert und kann ohne Beschädigung keine Flüssigkeit verarbeiten. Der angesaugte Dampf soll daher trocken, d.h. mehr oder weniger überhitzt sein. Dies wird meistens durch Anwendung eines thermostatischen Expansionsventils erreicht, und zwar in dem Sinne, dass die Zufuhr von flüssigem Kältemittel nach dem Luftkühler durch Vergleich der Temperatur des aus dem Kühler abgesaugten Dampfes mit dem Druck geregelt wird und so eine bestimmte Ueberhitzung aufrechterhalten
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wird. Meistens ist eine Ueberhitzung von 6 bis 7K zum Erhalten einer stabilen Wirkung notwendig. Die Wärmeübertragung von dem Dampf, der überhitzt wird3 auf die Eohrwandung ist weit niedriger als die von dem verdampfenden Kältemittel auf die Rohrwandung und aus s er dem wird beim Ueberhitzen der Temperaturunterschied in bezuf auf die Luft kleiner, wodurch für das Ueberhitzen eine verhältnismässig grosse Oberfläche notwendig ist. Es ist also wichtig,, .die Möglichkeit für kleine Ueberhitzungen zu schaffen.
Wenn die Temperatur des verdampfenden Kältemittels um ein bestimmtes Mass niedriger als 0 C ist, wird Wasserdampf aus der Luft auf die Oberfläche des Lamellenblocks in Form von Reif niederschlagen. Dieser Reif wird periodisch dadurch entfernt 3 dass man den Kühlprozess unterbricht und das Verdampfungselement erwärmt. Dazu sind verschiedene Systeme bekannt 5 z.B. elektrisches Auftauen 3 wobei der Lamellenblock und die Tropfschale mit elektrischen Erwärmungselementen ausgebildet sind.
Wenn das Verdampfungselement eine Anzahl Rohrsysteme umfassts werden diese in den bekannten Kühlern meistens zu einem dreidimensionalen Lamellenblock derart zusammengesetzt;, dass die parallelen Rohrsegmente sowohl in horizontalem wie in vertikalem Sinii gruppiert sind gemäss einem Muster von gleichzeitig nebeneinander bzw. untereinander in Horizontal- bzw. Vertikalebenen liegenden parallelen Rohrsegmenten.
Wichtig ist die gleichmässige Verteilung des Kältemittels über die verschiedenen Rohrsysteme des Lamellenblocks. Ausser bei Luftkühlern mit geringem Vermögen 5 muss der Kältemittelstrom über mehrere parallele Rohre senkrecht zu der Richtung des Luftstroms verteilt werden, und zwar derarts dass das verdampfende Kältemittel in Kreuzgegenstrom mit der Luft durch den Lamellenblock geführt wird. Die gleichmässige Verteilung des Kältemittels kann durch Anwendung eines sogenannten Flüssigkeitsverteilers erreicht werden, der mit dünnen Leitungen mit den Rohrsystemen des Lamellenbloels verbunden ist.
Bei den bekannten Luftkühlern befindet sich die Kältemitteldampfabfuhr meistens an der Luftzufuhrseite, damit die benötigte Ueberhitzung mit der höchsten Lufttemperatur bewirkt wird3 wobei das flüssige Niederdruck/ Kältemittel an dem an der Luftabfuhrseite liegenden Teil des Verdampfungselementes zugeführt wird (Kreuzgegenstrom). In dem Luftkühler wird sich
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dann eine Temperaturverteilung einstellen, wobei an der Aussenseite des Verdampfungselementes die Temperatur der vorbeiströmenden Luft in der "Strömungsrichting derselben kontinuierlich sinkt, während in dem Rohrsystem oder in den Rohrsystemen des Verdampfungselementes von der Flüssig-Kältemittel-Zufuhrseite, also von der Luftabfuhrseite, in Richtung der gegenüberliegenden Seite, also Luftzufuhrseite, die Verdampfungstemperatur des Kältemittels zunächst sinkt bis alles Kältemittel verdampft ist, wonach die Temperatur des Kältemitteldampfes durch Ueberhitzung des Dampfes steigt.
Die Abnahme der Verdampfungstemperatur in dem Rohrsystem des Verdampfungselementes wird dadurch verursacht, dass durch den Strömungswiderstand des verdampfenden Kältemittels in den Rohren dessen Druck sinkt, und weil die Verdampfungstemperatur die Sättigungstemperatur bei dem herrschenden Druck ist, nimmt auch diese ab. In dem letzten Teil des Rohrsystems ist alle Kältemittelflüssigkeit verdampft und erfolgt die Ueberhitzung. Wie schon eher erwähnt beträgt diese Ueberhitzung ca. 7K.
Aus Obigem geht hervor, dass der Unterschied zwischen der Lufttemperatur an der Aussenseite des Verdampfungselementes und der Verdampfungstemperatur in dem Rohrsystem sich stark ändert, nämlich in Richtung der Luftabfuhrseite kleiner wird. Dementsprechend ist der betreffende Temperaturunterschied am grössten auf der in bezug auf den Luftstrom mehr stromaufwärts liegenden Zone, wo alles Kältemittel gerade nahezu ganz verdampft ist und die Ueberhitzung des Kältemitteldampfes auf seinem Weg in Richtung der Luftzufuhrseite anfängt.
Die obenbeschriebene Situation in den bekannten Luftkühlern bringt Nachteile mit sich.
Die Zone, in der die Ueberhitzung erfolgt und die daher die höchste Temperatur hat, grenzt an die Zone mit der niedrigsten Kältemitteltemperatur, wodurch Wärmetransport über die Lamellen stattfindet, so dass die Oberfläche, die zum Erhalten der benötigten Ueberhitzung erforderlich ist, durch den obengenannten Wärmetransport unnötig gross sein muss.
Dadurch, dass ein Luftkühler nie unter stationären Bedingungen arbeiten kann, verursacht der obenerwähnte innere Warmetransport eine Instabilität
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in der Grosse der Ueberhitzungszone. Diese Instabilität wird durch die Wirkung des Expansionsventil verstärkt. Instabilität bedeutet Verlust an Kühlvermögen.
Ein weiterer Nachteil ist, dass die Keifablagerung an der Aussenseite des Lamellenblocks wegen des beschriebenen Nichtkonstantseins des Unterschieds zwischen der Lufttemperatur und der Terdampfungstemperatur und damit des Unterschieds zwischen Lufttemperatur und Lamellentemperatur nicht gleichmassig über dem Verdampfungselement verteilt ist und überwiegend auftritt in der Zone., wo der genannte Temperaturunterschied am grSssten ist., also etwa dort s wo in dem Rohrsystem das Kältemittel gerade nahezu verdampft ist. Dadurch steigt der Strömungswiderstand der Luft in dem Lamellenblock mehr als bei einer gleiehmässigen Reifverteilung, so dass die von dem Ventilator beförderte Luftmenge starker abnimmt als bei einer gleiehmässigen Bei !Verteilung. Dadurch wird die Herabsetzung des Kühlvermögens infolge der Bereifung vergrössert.
In der Auftauperiode 3 die sich an die Kühlperiode ansehliesst, tritt ein weiterer Nachteil einer ungleichmässigen Reifablagerung auf, und zwar eine Verlängerung der Zeitdauer der Auftauperiode 3 wobei diese Verlängerung von der örtlich dicksten Schicht abhängig ist. Beim Auftauen kann eine örtlich zu dicke Reifschicht sich ausserdem von den Lamellen lösen, so dass der Transport der Auftauwärme von den Lamellen zu dem Reif weiter erschwert wird. Selbstverständlich ist eine längere Auftauperiode mit einem zusätzlichen Energieverlust verbunden.
Der Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines zur Anwendung in einem bereifenden Luftkühler geeigneten Lamellenblocks, wobei obige Nachteile nicht auftreten.
Gemäss der Erfindung wird ein Lamellenblock der eingangs erwähnten Art verschafft 3 der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Stelle zum Zuführen flüssigem Kältemittel zu dem Verdampfungselement in der Zone für verdampfendes Kältemittel in dem an die Zone für Ueberhitzung von Kältemitteldampf grensenden Teil derselben liegt.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
Fig. 1 in Draufsicht einen Lamellenblock gemäss der Erfindung;
Fig. 2 in Seitenansicht der Lamellenblock nach Fig. 1;
Fig. 3 schematisch ein Rohrsystem gemäss dem bekannten Prinzip und das zugehörige Diagramm des Verlaufs der mittleren Lufttemperatur, der mittleren Kältemitteltemperatur und der mittleren Lamellentemperatur;
Fig. k schematisch ein Rohrsystem gemäss der Erfindung und das zugehörige Diagramm des Verlaufs der mittleren Lufttemperatur, der mittleren Kältemitteltemperatur und der mittleren Lamellentemperatur.
Aus den Figuren 1 und 2 geht hervor, dass der gezeigte Lamellenblock 23 ein Ver damp fun gs element umfasst, das aus zwei kältend ttelseitig parallel geschalteten Rohrsystemen 17, versehen mit Lamellen 18, aufgebaut ist. Jedes Rohrsystem ist aus 16 in Serie geschalteten horizontalen Rohren 1-16 gebildet. Der Luftsbrom ist durch den Pfeil in Figur 1 angegeben.
Im allgemeinen sind Luftkühler mit einem Rohrsystem oder mit mehreren parallel geschalteten Rohrsystemen ausgebildet, wobei ein Rohrsystem aus einem oder mehreren Horizontalrohren bestehen kann.
Das Element 21 ist ein Flüssigkeitsverteiler, der über dünne Rohre 22 das flüssige Niederdruck/Kältemittel über die parallel geschalteten Rohrsysteme 17 verteilt. Der überhitzte Kältemitteldampf wirdt über das Sammelrohr 19 und den Anschluss 20 durch den Kompressor abgesaugt.
Der obere Teil in den Figuren 3 und U zeigt ein Rohrsystem schematisch und in Draufsicht. Der untere Teil der Figuren 3 und k ist ein aus Messungen hergeleitetes schematisches Diagramm, in dem der Verlauf der mittleren Lufttemperatur durch die obere gezogene Linie gezeigt wird, während der Verlauf der mittleren Verdampfungstemperatur und der mittleren Ueberhitzungstemperatur durch die untere gezogene Linie wiedergegeben wird. Die gestrichelte Linie gibt den Verlauf der mittleren Lamellentemperatur wieder. Figur h bezieht !sich insbesondere auf ein Rohrsystem gemäss der Erfindung,
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i dem das flüssige Kältemittel bei C zugeführt WIrCL3 während das Kältemittel in Form von überhitztem Dampf bei D das Rohrsystem "verlässt. Der horizontale Pfeil gibt die Richtung des Luftstroms wieder.
Sit ©berste Linie des Diagramms nach Fig. k gibt wie erwähnt den Verlauf äer Lufttemperatur an. Diese Temperatur sinkt in Richtung des Pfeiles. Die !Temperatur des verdampfenden Kältemittels (Verdampfungstemperatur), welches fcti 0 dem Rohrsystem zugeführt wird, sinkt unter Einfluss des Strömungswiderstandes beim Strömen in die Zone A-B (Verdampfungszone) in diesem Fi.ll bei Kreuzmitströmung mit der Luft. Die mittlere Lame Ilen temperatur sinkt dementsprechend. Die Ueberhitzung erfolgt in der Zone C-D (Ueber-
obere teil in Figur 3 zeigt ein Rohrsystem gemäss dem bekannten Prinzip der untere Teil zeigt wieder ein schematisches Diagramm, in dem der Ver-Ä&üf der mittleren Lufttemperatur durch die obere gezogene Linie und der Verlauf der mittleren Verdampfungstemperatur und der mittleren Ueberhitzungs-%©ffiperätur durch die untere gezogene Linie angegeben wird, während die gestrichelte Linie wiederum den Verlauf der Lamellentemperatur wiedergibt.
ia Vergleich des Diagramms der Fig. h mit dem der Fig. 3 geht hervor, dass i Mg» h der Zufuhrpunkt des flüssigen Kältemittels, der die höchste -temperatur hat, an die Zone grenzt, in der die Ueberhitzung erfolgt, wod.«rcn der Temperaturunterschied ziiischen dem Zufuhrpunkt A und der Ueberfeit'zungszone C-D kleiner geworden ist, wodurch ein geringerer innerer WläSie'transport durch die Lamellen stattfindet und die Ueberhitzung leichter anstände kommt. Es hat sich an Hand von Versuchen weiter gezeigt, dass auch ~i kleineren Ueberhitzungen als 6κ eine stabile Ueberhitzung beibehalten kann-.
hat sich herausgestellt, dass der erfindungsgemässe Lamellenblock, sornit ein oder mehrere Rohrsysteme enthält, wie schematisch in Fig. It-■Wiedergegeben ist, auch die Möglichkeit zur Anwendung von höheren Kälte-■sattelgeschwindigkeiten bietet, wobei der mit der Anwendung solcher höheren Öeschwindigkeiten bezweckte Vorteil, und zwar die Vergrösserung der Wärmeübertragung von dem verdampfenden Kältemittel auf die innere Rohröberfläche und daher auch des Kühlvermögens, in der Praxis auch viel stärker
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zum Ausdruck kommt. Dies kann an Hand der Diagramme nach den Figuren k und h wie folgt erläutert werden.
Ein höhere Kältemittelgeschwindigkeit wird infolge des grösse'ren Widerstandes in dem Rohrsystem eine Zunahme des Temperaturunterschieds ΔΐΕ in den Diagrammen der Figuren 3 und h zur Folge haben. Bei gleichbleibendem Wert der niedrigsten Temperatur wird daher die Temperatur an der Stelle der Zufuhr des Kältemittels höher sein, dies ist in Fig. 3 bei A und in Fig. k bei C ersichtlich. Bei der bekannten Ausführung nach Fig. 3 ist der Verlauf des Unterschieds zwischen Luft- und Verdampfungstemperatur und somit auch zwischen der Luft- und der mittleren Lamellentemperatur unregelmässig und kann an der Luftaustrittseite sehr klein werden, was mit einer sehr unregelmässigen Oberflächenbelastung und Reif ablagerung -verbunden ist, während .der fiär die .Wärmeübertragung benötigte Temperaturunterschied auch kleiner ist und dadurch der Vorteil der höheren Kältemittelgeschwindigkeit gehemmt wird. Gemäss der neuen Ausführung nach Fig. h bleibt bei einer Zunahme von iJ^tR der Verlauf des Unterschieds zwischen Luft- und Verdampfungstemperatur und also zwischen Luft- und mittlerer Lamellentemperatur -viel gleichmässiger und wird in geringerem Masse kleiner, so dass der Vorteil der höheren Kältemittelgeschwindigkeit in geringerem Masse gehemmt wird.
Zusammenfassend hat die in dem Verdampfungselement befolgte Schaltung für den Fluidurakühler gemäss der Erfindung folgende Vorteile:
- ein grösseres Kühlvermögen durch eine bessere Ausnutzung der für die Ueberhitzung benötigte Oberfläche, so dass von der gesamten Oberfläche ein grösserer Teil für den Verdampfungsprozess verfügbar wird;
- eine stabilere Ueberhitzung und die Möglichkeit der Anwendung kleinerer Ueberhitzungen, ohne dass störende Instabilität auftritt; wodurch das Kühlvermögen vergrössert wird;
- die Möglichkeit der Anwendung höherer Kältemittelgeschwindigkeiten, wodurch ein grösseres Kühlvermögen erreicht wird;
- eine gleichmässigere Reifverteilung durch einen konstanteren Unterschied zwischen Lufttemperatur und Verdampfungstemperatur, wodurch eine weniger
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starke Herabsetzung des Kühlvermögens "bei zunehmender Bereifung auftritt;
- eine kürzere Auftauperiode durch die gleichmässigere Reifverteilung und daher veniger Energieverluste sowie die Möglichkeit einer längeren Kühlperiode, d.h. ein grösseres effektives Kühlvermögen.
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eerse
it

Claims (1)

  1. -r-
    Apparatenfabriek Helpman Ii.V. , Peizerweg 9\ Groningen, Niederlande
    "Lamellenblock, geeignet zur Anwendung in einem mit einem Expansionsventil versehenen bereifenden Kühler, insbesondere einem Luftkühler"
    Patentansprüche
    ii.y Lamellenblock, geeignet zur Anwendung in einem mit einem Expansionsventil versehenen bereifenden Kühler, insbesondere einem Luftkühler, versehen mit einem durch Entlangführen des zu. kühlenden gasförmigen Fluidums als Wärmeaustauscher anzuwendenden Verdampfungselement mit einer Fluidumzufuhr- und einer Fluidumabfuhrseite, welches Verdampfungselement ein oder mehrere Rohrsysteme umfasst, dem oder denen flüssiges Kältemittel zugeführt werden kann, verdampft und der gebildete Dampf überhitzt werden kann, jedes der Rohrsysteme ein schlangenartig gebogenes Rohr umfasst aus miteinander durch gebogene Rohrteile verbundenen parallelen Rohrsegmenten, die im wesentlichen senkrecht zu. der Längsrichtung derselben in Wärmeleitungskontakt damit stehende Lamellen, durch welche alle Rohre wärmeleitend miteinander verbunden sind, enthalten, wobei die Rohrsysteme in dem Verdampfungselement mit den parallelen Rohrsegmenten im wesentlichen senkrecht zu der Richtung von Fluidumzufuhr- nach Fluidumabfuhrseite geschaltet sind unter Bildung einer Zone für verdampfendes Kältemittel und einer Zone für Ueberhitzung von Kältemitteldampf, welche Zonen im wesentlichen senkrecht zu der genannten Richtung von Fluidumzufuhr- nach Fluidumabfuhrseite stehen,
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    und die Zone für Ueberhitzung des Kältemitteldampfes auf die der Fluidumzufuhrseite zugewandte Seite des Verdampfungselementes liegt,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Stelle zum Zuführen von flüssigem Kältemittel zu dem Verdampfungselement in der Zone für verdampfendes Kältemittel in dem an die Zone für Ueberhitzung von Kältemitteldampf grenzenden Teil derselben liegt.
DE19792901281 1978-01-18 1979-01-13 Lamellenblock, geeignet zur anwendung in einem mit einem expansionsventil versehenen bereifenden kuehler, insbesondere einem luftkuehler Withdrawn DE2901281A1 (de)

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