DE2939858A1

DE2939858A1 - Waermetauscher

Info

Publication number: DE2939858A1
Application number: DE19792939858
Authority: DE
Inventors: Alexander F Anderson
Original assignee: Garrett Corp
Current assignee: Garrett Corp
Priority date: 1978-10-26
Filing date: 1979-10-02
Publication date: 1980-04-30
Also published as: US4246963A; FR2439971B1; SE7908837L; JPS5731078B2; FR2439971A1; SE454211B; DE2939858C2; GB2036286B; CA1119583A; JPS5560177A; GB2036286A

Description

PATENTANWÄLTE

Dipl.-Ing. A.Wasmeier	Unser Zeichen Our Ref.	Dipl.-Ing. H. Graf
	GA) 10.033	2939858
Patentanwälte Postfach 382 8400 Regensburg 1
An das Deutsche Patentamt	D-8400 REGENSBURG 1
8 München 2	GREFLINGER STRASSE 7 Telefon (09 41) 5 47 53
Ihr Zeichen Ihre Nachricht Your Ref. Your Letter	Telegramm Begpatent Rgb. Telex 6 5709 repat d
	£?_e 1. Oktober 1<

Anmelderi THE GASBETT CORPORATION, 9851-9951 Sepulveda Boulevard, Post Office Box 92248, Los Angeles, California 9OOO9, USA Titel: "Wärmetauscher" Priorität: USA - Serial Ho. 955.273 vom 26.10.1978

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Konten: Bayerische Vereinsbank (BLZ 750 200 73) 5 839 300 Postscheck München 893 69-801

Gerichtsstand Regensburg

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"Wärmetauscher"

Zusy»"»" 6" fassung:

Gegenstand der Erfindung sind Platten-Hippen-Wärmetauscher zur Übertragung von Wärmeenergie zwischen beheizter Luft und verhältnismäßig kalter luft, ait länglichen, hohlen Kopfschienen ait gerundeter Oberfläche, die quer zum Kaltlufteinlaß verlaufen, damit ein Teil der Heißluft zur Verhinderung übermäßiger Eisbildung quer darüber weg geführt wird.

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher zur Übertragung von Wärmeenergie zwischen heißen und kalten Arbeitsmedien. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Platten-Eippen-Wärmetauscher mit einer Vorrichtung zur Verhinderung übermäßiger Eisbildung am Einlaß für das kalte Medium.

Bekannte Platten-Rippen-Wärmeaustauscher weisen eine Vielzahl von Platten auf, die in einem abwechselnden Stapel mit Wärmeübertragungselementen, z.B. Kippen oder dergl., mit vergrößerter oberfläche ausgebildet sind. Die Bippen mit vergrößerter Oberfläche im Stapel werden üblicherweise abwechselnd in rechten Winkeln zueinander abgebogen, so daß sie eng benachbarte Durchflußpfade für den Durchgang zweier Arbeitsmedien rechtwinkelig zueinander bilden. Dieser Aufbau eines Wärmetauschers ist als Querdurchf lufl-Warmetauscher bekannt und weist entsprechende Kopfschienen bzw. Verteilersehienen zur Isolierung der beiden Durchflußpfade gegeneinander in Verbindung mit einer Sammelleitung zur Einspeisung der Medien in ihre entsprechenden Durchflußpfade auf.

Bei der Konstruktion von Platten-Eippen-Wärmetauschern tritt ein Problem auf, wenn das kalte Arbeitsmedium in den Wärmetauscher mit einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt des Wassers eintritt, und das kalte Medium erhebliche Mengen an eingeschlossenem Wasser enthält. Dieses Problem tritt besonders bei solchen Wärmetauschernmf,

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die in Plugzeugsteuersysteaen verwendet werden, weil in großeP Höhen niedrige Lufttemperaturen herrschen, oder wenn luft in einem Steuersystem, die durch eine Turbine zu Kühlzwecken expandiert wird, in einen Wärmetauscher, z.B. einen Kondenswärmetauscher eingespeist wird. Diese Arten von Platten-Bippen-Wärmetauschern haben eine verhältnismäßig kompakte Größe und somit die unerwünschte Neigung, SLs an der Kaltlufteinlaßstelle der Einrichtung anzusammeln· Die Eisbildung blockiert den Strömungsmitteldurchfluß, wodurch der Wirkungsgrad und die Punktionsfähigkeit der Einrichtung wesentlich und in unerwünschter Weise reduziert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Probleme und Schwierigkeiten bekannter Wärmetauscher dieser Art dadurch zu beheben, daß ein verbesserter Platten-Bippen-Wärmetauecher vorgeschlagen wird, der die Temperatur der Ealtlufteinlaßstelle des Wärmetauschers auf einem ausreichend hohen Pegel hält, damit eine Eisbildung verhindert wird.

Dies wird gemäß de-r Erfindung bei einem Wärmetauscher mit einem Kern aus einer Vielzahl von Wärmeübertragungselementen, die erste und zweite Strömungsmitteldurchflußpfade mit Einlaß- und Auslaßenden für den Durchgang zweier Strömungsmittel in Wärmeaustauschbeziehung bilden, durch eine Sammelleitungsvorrichtung, die ein verhältnismäßig heißes Strömungsmittel durch den ersten Durchflußpfad und ein verhältnismäßig kaltes Strömungsmittel durch den zweiten Durchflußpfad richtet, sowie durchjtfine Temperatursteuervorrichtung, die einen Teil des heißen Strömungsmittels quer über das Einlaßende des zweiten Durchflußpfades führt, um den Temperaturpegel am Einlaßende des zweiten Durchflußpfades auf einem ausreichend hohen Wert zu halten, damit eine übermäßige Eisbildung verhindert wird, erreicht. Die Wärmeübertragungs- oder Bippenelemente mit vergrößerter Oberfläche sind vorzugsweise im Stapel übereinander angeordnet und bilden zwei Arbeitsströmungsmitteldurchflußpfade für den Durchgang de-r beiden Arbeitsmedien, z.B. Heißluft und Kaltluft, in enger Wärmeaustauschbeziehung. Die Durchflußpfade sind voneinander

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durch Kopf schienen an den Einlaß- und Auslaßenden eines jeden Durchflußpfades isoliert, um ein Vermischen der beiden Strömungsmittel zvL verhindern. Die hohlen Kopf schienen am Einlaßende des Wärmetauschers für das kalte Strömungsmittel haben eine abgerundete Konfiguration, die dem ankommenden kalten Strömungsmittel konvex dargeboten wird, und sind für den Durchfluß eines Seiles des heißen Strömungsmittels quer über den kalten Strömungsmitteleinlaß offen, um eine übermäßige Eisbildung asu verhindern.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Aueführungsbeispieles erläutert. £s zeigen:

Fig· 1 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers nach der Erfindung, bei dem Teile herausgebrochen dargestellt sind,

Fig. 2 einen Teilschnittansicht in vergrößertem Haßstab längs der linie 2-2 der Fig. 1, und

Fig. 3 eine Teilansicht des Wärmetauschers nach der linie 3-3 der Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein Wärmetauscher 10 nach der Erfindung dargestellt, der einen Platten-Bippen-Wärmetauscherkern 12 aufweist, welcher in einem Gehäuse 14 aufgenommen ist. Sas Gehäuse besitzt eine Einlaß-Sammelleitung 16, die ein beheiztes Arbeitsmedium, z.B. Heißluft, aufnimmt und das heiße Strömungsmittel durch eine Vielzahl von Kanälen 18 führt, die einen Durchflußpfad für das heiße Stromungemittel zu einer Auslaßsammelleitung 20 festlegen. Ein verhältnismäßig kaltes Arbeitsströmungsmittel, z.B. Kaltluft, wird über eine zweite Einlaßsammelleitung 22 eingespeist und durch den Kern 12 über eine Vielzahl von Kanälen 24 geführt, die einen Durchflußpfad für das kalte Strömungsmittel zu einer zweiten Auslaß-sammelleitung 26 bilden.

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Der Wärmetauscher 10 in Pig. 1 kann einen Kondensationswärmetauscher darstellen, wie er schematisch in der deutschen Patentanmeldung P 29 26 369·2 dargestellt und beschrieben ist. Insbesondere weist die Kaltluft, die in die Kaltlufteialaßsainmelleitung 22 eingespeist wird, Kaltluft auf, die durch die Kühlturbine einer Umgebungssteuereinheit expandiert worden ist, oder weist andererseits Kaltluft mit einem Temperaturpegel unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser auf. Bei vielen Anwendungsfällen besitzt diese Kaltluft eingeschlossenes Wasser insbesondere in Form von Eiskristallen und hat bei ümgebungssteuergeräten für flugzeuge beispielsweise eine Temperatur von etwa -45° C. Diese Kaltluft wird im Wärmetauscher 10 aufgeheizt und über die Kaltluft-Auslaßsammelleitung 26 geführt, wo sie beispielsweise in einem Umgebungsraum ₍wie in einer Flugzeugkabine verwendet wird.

Der Kern 12 des Wärmetauschers 10 ist im einzelnen in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Der Kern 12 weist einen geschichteten, abwechselnden Stapel von Wärmeübertragungs- oder Bippenelementen 28 und 30 mit vergrößerter Oberfläche auf, die rechtwinkelig zueinander angeordnet sind und die die Kanäle 18 und 24- bilden, welche die Strömungsmitteldurchflußpfade festlegen. Diese Värmeübertragungselemente 28 und 30 sind weitgehend identisch miteinander und jedes besitzt ein gewelltes, rippenartiges Bauteil, das der zugeordneten Einlaßsammelleitung 16 oder 22 zugewandt ist. Eine Vielzahl von zusätzlichen Elementen 28 oder 30 mit vergrößerter Oberfläche erstrecken sich versetzt gegen die zugeordnete Auslaßsammelleitung 20 oder 26, um die Durchflußpfadkanäle 18 oder 24 in der in Fig. 1 gezeigten Weiseza vervollständigen. Die abwechselnd übereinandergestapelten Wärmeübertragungselemente 28 und 30 sind durch verhältnismäßig dünne Wärmeübertragungsplatten 36 voneinander getrennt, wobei die gesamte Anordnung miteinander verbunden ist, z.B. durch Löten, damit ein steifer Wärmetauscherkern 12 entsteht. So stellt der Kern 12 einen Querdurchfluß-Wärmetauscher dar, wobei die Wärmeübertragungselemente die Durchflußpfadkanäle 18 und 24 für den Durchgang der heißen und kalten luft in enger Wärmeübertragungsbeziehung zueinander festlegen.

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Mn Vermischen der heißen und kalten Luft innerhalb des Gehäuses 14 oder des Kernes 12 wird durch eine Vielzahl von Kopf schienen 38 und 40 an den Einlaß- und Aaslaßenden beider Durchflußpfade durch den Kern verhindert. Sie Kopf schienen 38 bestehen aus festem Schienenmaterial oder dergl. mit etwa quadratischem Querschnitt, und werden in ihrer Position beispielsweise durch Löten oder eine andere Technik festgelegt· Die Kopf schienen 33 verlaufen qu*r über das Heißlufteinlaßende des Kernes 12 in der Bähe der Heißlufteinlaßsammelleitung 16 und parallel zu und längs der Kaltluftwärmeübertragungselemente 30. Auf diese Weise sperren die Kopf schienen 33 die Heißluft gegen ein Durchströmen der Kaltluftdurchflußpfadkanäle 24 und beschränken somit den Durchgang der Heißluft nur auf die Heißluftdurchflußpfadkanäle 18. In gleicher Weise erstrecken sich die festen Kopfschienen 38 quer über den Heißluftauslaß längs der Kaltluftwärmeübertragungselemente 30 und in der Bähe der Heißluftauslaßsammelleitung 20 und quer über den Kaltluftauslaß längs der Heißluftwärmeübertragungselemente 28 und in der Nähe der Kaltluftauslaßsammelleitung 26, um zu verhindern, daß die heiße und die kalte Luft sich an diesen Stellen vermischen.

Die Kopf schienen 40 verlaufen quer über den Kaltlufteinlaß in der Bähe der Kaltlufteinlaßsammelleitung 22. Diese Kopfschienen 40 haben eine hohle rohrformige Gestalt mit einer gerundeten Oberfläche 42, die der ankommenden Kaltluft konvex dargeboten wird. Die hohlen Schienen 40 erstrecken sich parallel zu und längs der Heißluftwärmeübertragungselemente 28 und werden in ihrer Position beispielsweise durch Löten oder dergl* festgelegt, damit der Durchfluß von Kaltluft durch die HeißluftdurchflußpMkanäle 13 gesperrt wird. Diese hohlen Kopf schienen 40 stehen in Durchflußverbindung mit den Heißlufteinlaß- und -auslaßsammelleitungen 16 und 20 und führen somit einen Teil der Heißluft über die Kaltluftelnla£fläche des Wärmetauschers 10.

Im Betrieb sind die hohlen Kopf schienen 40 so dimensioniert, daß sie eine verhältnismäßig große Durchflußfläche im Vergleich zu den Heißluf tdurchf lußpf adkanälen 18 ergeben, und eine Außenflächenkonfiguratixm haben, die eine übermäßige Eisbildung an der

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Kaltlufteinlaßflache des Wärmetauschers verhindert. Dies bedeutet, daß die hohlen Schienen 40 so ausgelegt sind, daß sie beispielsweise etwa 5 bis 10% des gesamten Heißluftdurchsatzes führen, wobei die Kaltlufteinlaßfläche des Wärmetauschers 10 auf einer Temperatur gehalten wird, die wesentlich über der Temperatur der ankommenden KaIt-1 uft ist. Diese relative Aofheizung an der Kaltlufteinlaßfläche zusammen mit den konvex gerundeten flächen 42 der Kepfschienen 40 bewirkt ein rasches Schmelzen, Verlagern und Abbrechen von Eispartikeln oder Kristallen, die sich auf der Kaltlufteinlaßfläche ausbilden oder Ansammeln. Auf diese Weise ergeben die Kopfschienen 40 eine Temperatursteuerung, die eine Eisbildung verhindert und damit den Wirkungsgrad des Wärmetauschers beibehält.

Im Bahmen der Erfindung sind Abänderungen und Verbesserungen möglich. Beispielsweise kann die Querschnittsfläche der hohlen Kopfschienen 40 und damit die prozentuale Durchsatzkapazität der Kopfschienen 40 entsprechend der Auslegung eines speziellen Wärmetauschers eingestellt werden. Damit ist die Erfindung in keiner Weise auf dB bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt.

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L e e r s e i t e

Claims

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Patentansprüche:

(l.l Wärmetauscher mit einem Kern aus einer Vielzahl von Wärmeübertragungselementen, die erste und zweite Strömungsmitteldurchflußpfade mit Einlaß- und .Auslaßenden für den Durchgang zweier Strömungsmittel in Wärmeaustauschbeziehung ausbilden, gekennzeichnet durch eine Sammelleitungsvorrichtung (16, 22), die ein verhältnismäßig heißes Strömungsmittel durch den ersten Durchflußpfad (18) und ein verhältnismäßig kaltes Strömungsmittel durch den zweiten Durchflußpfad (24) richtet, und eine Temperatursteuervorrichtung (40), die einen Teil des heißen Strömungsmittels quer über das Einlaßende des zweiten Durchflußpfades (24) führt, um den Temperaturpegel an dem Einlaßende des zweiten Durchflußpfades so hoch i zu halten, daß eine übermässige Eisbildung verhindert wird.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursteuervorrichtung (40) ein hohles Bohr (40) aufweist, das zwischen die Einlaß- und Auslaßenden des ersten Durchflußpfades (18) für den Durchgang eines Teiles des heißen Strömungsmittels eingeschaltet ist.

3· Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Rohr (40) eine abgerundete Oberflächenform besitzt, deren konvexe Seite dem ankommenden kalten Strömungsmittel am Einlaßende des zweiten Durchflußpfades (24) zugewandt ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursteuervorrichtung (40) eine Vielzahl von hohlen Rohren (40) aufweist, die zwischen die Einlaß- und Auslaßenden des ersten Durchflußpfades (18) eingeschaltet sind.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kalte Strömungsmittel verhältnismäßig kalte Luft mit einem Temperaturpegel unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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6. Wärmetauscher nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungselemente (36) in einem abwechselnden Stapel mit einer Vielzahl von verhältnismäßig dünnen Platten (36) angeordnet sind, die einen Platten-Eippen-Wärmetauscherkera (12) bilden und eine Vielzahl von verhältnismäßig kleinen Kanälen darstellen, die die ersten und zweiten Durchflußpfade (18, 24) festlegen, daß erste Kopf schienen (header bars) (38) an den Einlaß- und Auslaßenden des ersten Durchflußpfades (18) und am iuslaßende des zweiten Durchflußpfades (24) vorgesehen sind, um ein Mischen zwischen den heißen und kalten Strömungsmitteln zu verhindern, und daß die Temperatursteuervorrichtung (40) hohle Kopfschienen (40) am Einlaßende dee zweiten Durchflußpfades (24) aufweist, um ein Vermischen zwischen den heißen und kalten Strömungsmitteln zu verhindern und um eine Verbindung zwischen den Einlaß- und Auslaßenden des ersten Durchflußpfades (18) für den Durchgang eines Teiles der heißen Luft zu erzielen.

7. wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlen Kopfschienen (40) jeweils eine abgerundete Qberflächenform (42) aufweisen, deren konvexe Seite dem ankommenden kalten Strömungsmittel am Einlaßende des zweiten Durchflußpfades (24) zugewandt ist.

8. Wärmetauscher mit einem Kern, der aus einer Vielzahl von Wärmeübertragungselementen besteht, die erste und zweite Durchflußpfade mit Einlaß- und Auslaßenden für den Durchgang zweier Strömungsmittel in Wärmeübertragungsbeziehung festlegen, gekennzeichnet durch eine Sammelleitungsvorrichtung (16, 22), die ein verhältnismäßig heißes Strömungsm±fcel durch den ersten Durchflußpfad (18) und ein verhältnismäßig kaltes Strömungsmittel durch den zweiten Durchflußpfad (24) richtet, und eine Temperatursteuervorrichtung (40), die ein hohles Rohr (40) aufweist, das zwischen den Einlaß- und Auslaßenden des ersten Durchflußpfades (18) in Verbindung steht und sich quer über das Einlaßende des zweiten Durchflußpfades {24) erstreckt, um einen Teil des heißen Strömungsmittels darüber weg zu führen und den Temperaturpegel des zweiten Durchflußpfadeinlaßendes aufrechtzuerhalten, um eine Eisbildung zu verhindern.

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9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das kalte Strömungemittel verhältnismäßig kalte loft mit einem Temperaturpegel unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser ist.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (12) eine Vielzahl von Wärmeübertragungselementen (36) aufweist, die in einem abwechselnden Stapel mit einer Veilzahl von verhältnismäßig dünnen Platten (36) zur Bildung eines Platten-Bippen-Wärmetauscherkernes (12) angeordnet sind, wobei die Wärmeübertragungselemente (36) eine Vielzahl von verhältnismäßig kleinen Kanälen bilden, die die ersten und zweiten Durchflußpfade (18,24) festlegen, daß erste Kopfschienen (38) an den Einlaß- und Auslaßenden des ersten Durchflußpfades (18) und am Auslaßende des zweiten Durchflußpfades (24) vorgesehen sind, um ein Vermischen zwischen den heißen und kalten Strömungsmitteln zu verhindern, und daß die Temperatursteuervorrichtung (40) hohle Kopfschienen (40) am Einlaßende des zweiten Durchflußpfades (24) aufweist, um ein Vermischen zwischen den heißen und kalten Strömungsmitteln zu verhindern und die Einlaß- und Auslaßenden des ersten Durchflußpfades (13) zum Hindurchführen eines Teiles des heißen Strömungsmittels zu verbinden.

11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlen Kopf schielen (40) jeweils eine gerundet eOberflächenform (42) aufweisen, deren konvexe Seite dem ankommenden kalten Strömungsmittel am Einlaßende des zweiten Durchflußpfades (24) zugewandt ist.

12. Wärmetauscher mit einem Kern, der aus einer Vielzahl von Wärmeübertragungselementen gebildet ist, die erste und zweite Durchflußpfade mit Einlaß- und Auslaßenden für den Durchgang eines verhältnismäßig heißen Strömungsmittels und eines verhältnismäßig kalten Strömungsmittels aufweisen,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (40) zur Verhinderung übermäßiger Eisbildung an dem Einlaßende des zweiten Durchflußpfades (24) vorgesehen ist, die ein hohles Rohr (40) aufweist, das sich quer über den Einlaß des zweiten Durchflußpfades (24) erstreckt und

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eine Verbindung zwischen den Einlaß- und Auslaßenden des ersten Durchflußpfades (18) herstellt, us einen Teil des heißen Strömungsmittels über das Einlaßende des zweiten Durchflußpfades zu führen und damit den Temperaturpegel an dieser Stelle ausreichend hoch zu halten, um eine übermaßige Eisbildung zu verhindern.

13- Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetaueeherkern aas einer Vielzahl von Wärmeübertragungselementen gebildet wird, die erste und zweite StrÖMmngsmittddurchflußpfade mit Einlaß- und Auslaßenden für den Durchgang eines verhältnismäßig heißen Strömungsmittels und eines verhältnismäßig kalten Strömungsmittels festlegen, und daß ein hohles Rohr quer über das Einlaßende des zweiten Durchflußpfades und in Verbindung mit den Einlaß- und Auslaßenden des ersten Durchflußpfades befestigt wird, um einen Teil des heißen Strömungsmittels über das Einlaßende des zweiten Durchflußpfades zu führen, damit eine übermäßige Eisbildung an dem Einlaßende des zweiten Durchflußpfades verhindert wird.

14. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscherkern au-s einer Vielzahl von Wärmeübertragungselementen hergestellt wird, die in einem abwechselnden Stapel mit einer Vielzahl von verhältnismäßig dünnen Platten angeordnet sind, welche eine Vielzahl von verhältnismäßig kleinen Kanälen festlegen, die erste und zweite Barchflußpfade für den Durchgang des heißen und des kalten Stromungsmittels bilden, daß erste Kopfschienen an den Einlaß- und Auslaßenden des ersten Durchflußpfades und am Auslaßende des zweiten Durchflußpfades befestigt werden, um ein Vermischen zwisixen dem heißen und dem kalten Stromungsmittel zu verhindern, und daß hohle Kopf schienen am Einlaßende des zweiten Durchflußpfades befestigt werden, um ein Vermischen zwischen dem heißen und dem kalten Strömungsmittel zu verhindrn und die Einlaß- und Auslaßenden des ersten Durchflußpfades zu verbinden, damit ein Teil des heißen Strömungsmittels quer über das ünlaßende des zweiten Durchflußpfades geführt wird, um den Temperaturpegel an dieser Stelle zur Verhinderung einer übermäßigen Eisbildung auf einem ausreichenden Wert zu halten.

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