DE3029500A1

DE3029500A1 - Waermeaustauschereinheit

Info

Publication number: DE3029500A1
Application number: DE19803029500
Authority: DE
Inventors: Sebastian J. Wethersfield Conn. Gianni; William M. Brewster N.Y. Seeley
Original assignee: Dunham Bush Inc
Current assignee: Dunham Bush Inc
Priority date: 1979-09-19
Filing date: 1980-08-04
Publication date: 1981-04-09
Also published as: CA1121801A; FR2465981A1; GB2059042B; GB2059042A; JPS5653388A; US4284133A; FR2465981B1

Description

HOFFMANN · EITLE & PARTNER 3 Ö 2 9 5 0

PATENTANWÄLTE

DR. ING. E. HOFFMANN (193U-1976) ■ DIPL-ING. W.EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DiPL.-ING. W. LEHN

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MO NCHEN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATH E)

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Dunham-Bush, Inc.,

West Hartford, Conn. / V.St.A.

Wärmeaustauschereinheit

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeaustauschereinheit und insbesondere auf solche Wärmeaustauscher, die aus einem Paar von konzentrisch angeordneten Rohren besteht, die zwischen sich einen im wesentlichen ringförmigen Raum bilden. In diesem Ringraum befindet sich ein metallisches Leitblech in Form eines Streifens aus gewelltem Metallblech, der spiralförmig und/oder schraubenförmig durch den Ringraum verläuft und den Abstand zwischen den Rohren überbrückt.

Wärmeaustauscher dieser Art wurden bereits vor einiger Zeit auf dem Kühlsektor, auf dem Automobilsektor und dgl. verwendet, um einen sehr wirkungsvollen Wärmeübergang zwischen Strömungsmitteln vorzusehen, die sich innerhalb und außerhalb der Rohre bewegen. Ein derartiger Wärmeaustauscher ist in der US-Patentschrift 3 197 975 beschrieben. In dieser Patentschrift ist eine sehr wirksame Wärmeaustauschereinheit beschrieben, welche aus einer Vielzahl von im wesentlichen horizontal angeordneten Rohranordnungen besteht, die im we-

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sentlichen parallel zueinander verlaufen und von einem Paar von konzentrischen Rohren gebildet werden. Zwischen den konzentrischen Rohren befindet sich ein Ringraum, welcher an gegenüberliegenden Enden für eine Strömung von Wärmeaustauschmedien angeschlossen ist. Das andere Medium durchströmt das Innere des innenliegenden Rohres der beiden konzentrischen Rohre. Jede der Wärmeaustausch-Rohranordnungen beinhaltet eine innere Metall-Leitblechanordnung innerhalb des Ringraumes. Diese Leitblechanordnung ist als Streifen aus gewelltem Metallblech geformt, welches spiralförmig bzw. schraubenförmig innerhalb des Ringraumes verläuft, wobei die Wellungen im wesentlichen geradlinig und unverzerrt in Längsrichtung den Ringraum durchlaufen und den Abstand zwischen den Rohren überbrücken. Die Wellungen stehen unter Druck mit den Rohren in Berührung, wodurch der Ringraum in eine Vielzahl von im wesentlichen längsverlaufenden Kanälen aufgeteilt wird. Jeder dieser Kanäle verläuft zwischen den Seitenkanten des schraubenförmig gewundenen Streifens aus gewelltem Metallblech. Die benachbarten Windungen des schraubenförmig gewundenen Streifens befinden sich im Abstand zueinander und bilden somit einen ebenfalls schraubenförmig verlaufenden freien Raum zwischen den Seitenkanten der benachbarten Windungen und den beiden Rohren, um die wirksame Länge jedes Längskanals auf die Länge einer einzelnen Wellung des Streifens zu reduzieren. Dadurch kann der Strömungsmittelstrom des Wärmeaustauschmittels zwischen den Rohren und den reihenverwandten Längskanälen entlang des Ringraumes einen gekrümmten Verlauf nehmen. Der Abstand zwischen den Rohren ist derart, daß auf den Innen- und Außenumfang der Leitblechanordnung radiale Kompressionskräfte so einwirken, daß die Wellungen radial komprimiert und dabei einer solchen ausreichenden Kraft unterworfen werden, daß ein gutes Wärmeübergangsverhältnis zwischen jedem der Rohre und der Leitblechanordnung gewährleistet ist.

Während diese Wärmeaustauscheranordnung einen höchstwirksamen

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und wirkungsvollen Wärmeaustausch zwischen dem im inneren Rohr strömenden Austauschmedium und dem Medium vorsieht, welches zwischen den Rohren strömt oder aber zwischen einem zwischen den beiden Rohren strömenden Medium und einem am äußeren Rohr vorbeiströmenden Medium. Dennoch wurde frestgestellt, daß der Wärmeübergangskoeffizient und insbesondere der Siede-Wärmeübergangskoeffizient verbessert werden kann, wenn die Wärmeaustauscheigenschaften des aus einem gewellten Metallblechstreifen bestehenden Leitbleches ver-

bessert werden.

Die Erfindung löst diese Aufgabenstellung dadurch, daß innerhalb jedes gewellten Metallblechstreifens, welcher schraubenförmig und/oder spiralförmig.den Ringraum zwischen den konzentrischen Metallrohren durchläuft, eine Vielzahl von kleinen Öffnungen oder Durchbrechungen ausgebildet ist. Vorzugsweise befinden sich die öffnungen so am gewellten Streifen, daß sie an einigen Punkten entlang der Wellungen auftreten, wie beispielsweise an den Scheiteln oder Wellenbergen und entlang den Wellentälern, d.h. in den Bereichen neben den Berührungslinien zwischen den Wellungen und dem Umfang des inneren oder äußeren Rohres, welche Umfange den Ringraum bilden.

Die Öffnungen können durch Stanzen des Metallstreifens hergestellt werden, bevor der Streifen gewellt und schraubenförmig gewunden wird. Alternativ können die öffnungen während des Wellens dadurch hergestellt werden, daß zunächst der Metallblechstreifen gewellt und daß dann auf gegenüberliegenden Seiten der gewellten Streifen Einschnitte oder Frässchlitze hergestellt werden, und zwar bis zu einer begrenzten Tiefe, um öffnungen sowohl an den Wurzeln als auch in den Wellentälern der Wellungen vorzusehen, d.h. in den jeweiligen Anlagebereichen der Wellungen am Innenumfang des äußeren Rohres oder am Außenumfang des inneren Rohres.

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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigt:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht eines Teils der Ausführungsform gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Metallblechstreifen mit Säulen und Reihen von Perforationen zum Ausbilden der Öffnungen für den Metallstreifen vor dem Wellen des Streifens,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Metallstreifen gemäß Fig. nach dem Stanzen und Wellen und vor einer schraubenförmigen Anordnung zwischen den konzentrischen Rohren der Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 2,

Fig. 5 eine Schnittansicht eines Teils des Streifens gemäß Fig. 4 entlang der Linie 5-5,

Fig. 6 eine Schnittansicht eines Teils des Streifens gemäß Fig. 4 entlang der Linie 6-6 und

Fig. 7 ein Diagramm des Siede-Wärmeübergangskoeffizienten einer Standard-Wärmeaustauscheranordnung mit innerem Wärmeaustausch entsprechend dem Stand der Technik und verschiedener Ausführungsformen der verbesserten Wärmeaustauscheranordnung gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 und 2 ist eine verbesserte, aus konzentrischen Rohren gebildete Wärmeaustauscheranordnung 10 dargestellt,

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welche im Prinzip aus einem äußeren Metallrohr 12 mit einem bestimmten Durchmesser und einem inneren Metallrohr 14 besteht, dessen Durchmesser ein wenig kleiner ist. Die beiden Rohre bilden zwischen sich einen Ringraum 16, in dem sich das dritte Element der Anordnung befindet. Dieses dritte Element besteht aus einem inneren, schraubenförmig gewundenen Metalleitblech 18. Dieses Leitblech 18 besteht aus einem Streifen eines gewellten Metallbleches, welches schraubenförmig durch den Ringraum 16 zwischen den Rohren 12 und 14 verläuft. Das äußere Rohr 12 kann eine Vielzahl von längs beabstandeten Quer-Metallblechrippen (nicht dargestellt) tragen, um Wärme in die Umgebung abzustrahlen oder von der Umgebung zu absorbieren oder Wärme aufzunehmen und zu anderen Wärmeaustauschermedien zu übertragen, die durch den Ringraum 16 und einen vom inneren Rohr gebildeten Innenraum 20 strömt. Die Rohre 12 und 14 können aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen wärmeleitfähigen Material bestehen, während der gewellte Metallblechstreifen oder das innere Leitblech 18 aus Kupfer oder einem anderen hochleitfähigen Metallblech besteht.

Das Leitblech 18 wird während der Herstellung vorgeformt und auf dem Rohr 14 angeordnet oder auf andere Weise zusammengedrückt, nachdem das Leitblech 18 zwischen den Rohren 12 und und innerhalb des Ringraumes 16 schraubenförmig gewickelt wurde. Bei einer Art der Herstellung kann das innere Rohr 14 leicht expandiert sein, um die einzelnen Wellen zwischen dem äußeren Umfang des Innenrohres 14 und dem inneren Umfang des äußeren Rohres 12 zusammenzudrücken. Das mechanische Verriegeln der schraubenförmigen Metalleitbleche 18, die aus gewelltem Metallblech bestehen, zwischen den konzentrischen Rohren kann dadurch erreicht werden, daß ein Dorn mit ein wenig größerem Durchmesser als der Innendurchmesser des inneren Rohres 14 mechanisch in das Rohr gedrückt wird, um das Rohr leicht zu expandieren. Dadurch werden die Scheitel 18a und die Wellentäler 18b der einzelnen Wellen des Streifens 18 mit dem jewei-

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Iigen Umfang der Rohre 12 und 14 in Berührung gebracht. Die Zusammendrückk'raft ist ausreichend, um einen wirksamen Wärmeübergang zwischen jedem der Rohre und dem Metallstreifen 18 sicherzustellen. Der Streifen 18 verbindet die beiden Rohre 12 und 14 durch einen Längsdurchgangsweg 22 neben dem inneren Rohr 14 und einen Längsdurchgangsweg 24 neben dem äußeren Rohr 12. Durch das schraubenförmige Wickeln des Streifens 18 um das innere Rohr 14 entsprechend dem US-Patent 3 197 975 wird eine offene Spirale gebildet, die zwischen den benachbarten Wicklungen der Spirale einen freien Bereich zwischen den Rohren läßt. So wird bei 26 (Fig. 2) ein offenspiraliger Durchgang gebildet, in den die Enden jedes Längsdurchgangsweges 22 und 24 münden. So sind die Längsdurchgangswege 22 und 24 frequentiell durch die spiralförmigen Freiräume 26 unterbrochen. Dies stellt einen minimalen Widerstand der Strömung durch den Ringraum 16 sicher und gewährleistet einen ausreichenden Wärmeübergang auf das passierende Wärmeübergangsmedium und von diesem weg, wobei dieses Medium durch den Ringraum 16 strömt, welcher zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr gebildet wird.

Es wurde herausgefunden, daß bei einem Strömen des Strömungsmediums von rechts nach links (Fig. 2) innerhalb des Ringraumes 16 sich an der rechten Kante des Streifens 18 kein stagnierender Strömungsmittelfilm an den Leitblechoberflächen bildet. Dagegen bildet sich ein stagnierender Film, welcher zunehmend in Richtung auf ein Maximum an der linken Kante des schraubenförmig gewudenen Streifens dicker wird, d.h. in Richtung stromabwärts. Dieser stagnierende Film wirkt als eine Wärmeisolierung und verursacht einen Widerstand gegen den Wärmeübergang und reduziert die Wirksamkeit des Systems. Als Vorteil gegenüber dem aus der US-Patentschrift 3 197 975 bekannten Wärmeaustauscher wurde herausgefunden, daß ein wirksamerer Wärmeaustausch dann auftritt, wenn ein Teil des metallischen Leitblechstreifens 18 hinsichtlich der Oberfläche

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reduziert wird, jedoch die nukleare Siedewirkung, welche bei einem innerhalb des Ringraumes 16 strömenden Siedemediums und bei einem Medium auftritt, welches innerhalb des Innenraums 20 des inneren Rohres 14 strömt, verbessert wird, weil die Längsabmessungen jeder individuellen Leitblechoberfläche des gewellten Metallstreifens 18 ausreichend klein j st, um die Ausbildung eines stagnierenden. Films in ausreichendem Maße zu verhindern, welcher einen geeigneten Wärmeübergang zwischen den Leitblechabschnitten und dem Ringraum 16 beeinträchtigen würde. Der entsprechend wirksamere Wärmeaustausch ist möglich durch die Verwendung einer Vielzahl von Öffnungen oder Löchern kleinen Durchmessers innerhalb des schraubenförmig gewundenen Metallstreifens 18. Die Anwesenheit der Öffnungen schafft lokalisierte Turbulenzbereiche innerhalb des Strömungsweges der Leitbleche. Die Öffnungen können durch Stanzen von Löchern 28 mit kleinem Durchmesser ausgebildet werden. Diese Löcher sind in Reihen angeordnet. Nach dem Stanzen wird der Streifen 18 entlang von Wellungslinien 30 {Fig. 3} gewellt, um den gewellten Streifen gemäß Fig. 4 herzustellen. Diesbezüglich und insbesondere unter Bezugnahme auf Fig. 5 und 6 erscheinen die Löcher 28 in einem gewissen Umfang an den Scheiteln 18a, während andere Löcher in den Wellentälern 18b des gewellten Streifens 18 erscheinen.

Die Anzahl und die Größe der Löcher 28 sowie ihre Lage und dgl. hängen von d_rer Größe der Wärmeaustauscheranordnungen 10 ab und vom Durchmesser der Rohre 12 und 14. Dementsprechend wird auch die Dicke und die Breite des Metallstreifens 18, welcher gewellt und entsprechend Fig. 4, 5 und 6 mit Löchern versehen wird, verändert. Beispielsweise beträgt der Durchmesser der vor dem Wellen in den Streifen 18 gestanzten Löcher 28 ungefähr 1,27 mm - 2,03 mm (0,05 - 0,08 inch) für einen repräsentativen Wärmeaustauscher. Weiterhin kann auf alternative Weise des Ausbildens des schraubenförmig gewundenen, gewellten Metallstreifens 18 der Metallstreifen nach dem Wellen mit ,

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mehrfachen Sägeschnitten oder Schlitzen versehen werden, und zwar mittels einer Säge, eines Fräswerkzeuges oder dgl. Dies erfolgt sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite, vorzugsweise in gleichem Abstand untereinander und beabstandet relativ zu den Einschnitten an der gegenüberliegenden Seite, wobei die Schlitze nahezu um die Hälfte durch die Leitblechhöhe verlaufen. Weiterhin könnte die für die Herstellung der Wellungen verwendete Matrize, wie beispielsweise kämmende Zahnradsätze, Mittel beinhalten, mit denen die Schlitze als Öffnungen ausgebildet werden, und zwar zusammen mit der Ausbildung der Wellungen. Die Schlitze können 0,254 mm (0,01 inch) dick, 0,508 mm (0,02 inch) dick usw. sein. Während die Löcher 28 als für die jeweilige Reihe gleichmäßig ausgebildet dargestellt sind, entweder innerhalb der Wellentäler 18b oder innerhalb der Scheitel 18a, können sie tatsächlich in den Zwischenbereichen der Wellungen auftreten, d.h. zwischen den Wellentälern und Scheiteln. Die verbesserte Struktur dieses Wärmeaustauschers hat eine definiert positive Wirkung, wenn eines der Wärmeaustauschmedien siedet, d.h. verdampft. Auch verbessert die Verwendung der Löcher 28 im Streifen 18 wirksam den Wärmeaustausch, wo die Strömungsmedien während des Wärmeaustauschprozesses durch zunehmende Turbulenz der Medien ihren Zustand nicht ändern.

In Fig. 7 stehen Kurven vergleichend zueinander, und zwar die Kurve für den Siede-Wärmeübergangskoeffizienten einer Wärmetauscheranordnung gemäß der US-Patentschrift 3 197 975 und eine entsprechende Kurve gemäß der Erfindung. Die Siede-Wärmeübergangskoef f izienten stehen im Verhältnis zur Rohrbeschickung, d.h. im Verhältnis zur für eine bestimmte Zeitperiode übertragenen Wärmemenge. Die Kurve C zeigt den Siede-Wärmeübergangskoef f izienten gemäß dem Stand der Technik unter Verwendung eines schraubenförmig gewundenen Metallbleches, welches als gewellter Metallblechstreifen ausgebildet ist bei einem Wärmeaustauscher gemäß der US-PS 3 197 975.

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Die beiden mit A und B bezeichneten Kurven, die einander kreuzen, repräsentieren Beispiele der verbesserten Wärmeübergangsanordnunc entsprechend Fig. 1 und 2 gemäß der Erfindung. Der Siede-Wärmeübergangskoeffizient ist materiell relativ zu dem sogenannten Standard-Wärmeaustauscher mit Leitblech entsprechend der Kurve C verbessert. Die angezeigte Verbesserung der Wärmeübergangseigenschaften des Wärmeaustauschers reduziert materiell den Umfang der benötigten Wärmeübergangsfläche und somit die Größe des Wärmeaustauschers.

Es wurde festgestellt, daß die verbesserte Wärmeaustauscheigenschaft der aus konzentrischen Rohren bestehenden Wärmeaustauscheranordnung, welche mit der perforierten Leitblechkonstruktion entsprechend eier Erfindung versehen ist, deutlich ist, wenn eines der Wärmeaustauschmedien seinen Zustand ändert. Beispielsweise resultieren die die Löcher, insbesondere entlang dem Umfang des Metallstreifens 18, wo die Wellungen das Leitblech bilden, vorgesehenen Löcher hinsichtlich der in Fig. 7 angegebenen Versuchsresultate in einer verbesserten Nukleation^ d.h. in einer verbesserten Schaffung von Punkten, wodurch die Gasblasen vor dem Verlassen der Flüssigkeit verdampft werden. Dies ist insbesondere bei Wärmeaustauschern wie Kälteerzeugungs- oder Luftkonditionierverdampfern der Fall. Die Wärmeaustauschfähigkeit wird für eine bestimmte Größe des Wärmeaustauschers entsprechend der Erfindung verbessert, wenn der Wärmeaustauscher als Kondensator betrieben wird. Ebenso wird eine verbesserte Zirkulierung von Öl innerhalb der konzentrischen Rohre durch die Anwesenheit der Schlitze oder der gestanzten Löcher erreicht, indem eine Zirkulation zwischen parallelen Wegen erfolgt, die von den Wellungen des Streifens gebildet wird. Wie zuvor erwähnt wurde, können in Abhängigkeit von der Größe des Wärmeaustauschers die Breite, die Länge, die Dicke, die Anzahl der Löcher und der Abstand zwischen den Kanten der schraubenförmig gewundenen Streifen zur Bestimmung des spiralförmigen oder

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schraubenförmigen Strömungsweges des Strömungsmittels, zwischen den konzentrischen Rohren verändert werden, wobei das Strömungsmittel zwischen den Freiräumen 26 durch die Kanäle strömt, die vom gewellten, schraubenförmig gewundenen Metallstreifen 18 gebildet werden.

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Claims

HOFFMANN · EITLE & PARTNER

PAT Ii N TAN WÄLT K

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · D I PL-I N G. W. E ITLE · D R. RE R. N AT. K. H OFFMAN N ■ D I PL.-I N G. W. LEH N

DIPL.-ING. K. Fu CHS LE · OR. RER. NAT. ti. HANSEN ARABEUAST.'iASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MG N CH EN 81 · TELE FO N (08?) 911087 . TELEX 05-29619 (PATH E)

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Dunham-Bush, Inc.,

West Hartford, Conn, / V.St.A.

Wärmeaustauschereinheit

Patentansprücho

Wärmeaustauschcreinheit, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Rohranordnung aus einem Paar von konzentrisch zueinander angeordneten Bohren (12, 14) besteht, die zwischen sich einen im wesentlichen ringförmigen Raum (16) bilden und die an ihren Enden für die Durchströmung eines Wärmeaustauschraediums angeschlossen sind, daß eine innere Metall-Leitblechanordnung innerhalb des Ringraumes (16) aus einem Streifen (18) aus gewelltem Metallblech besteht, das schraubenförmig und/oder spiralförmig innerhalb des Ringraumes (16) verläuft, wobei die Wellunge« im wesentlichen gerade und unverzerrt in Längsrichtung den Ringraum (16) durchlaufen und den Abstand zwischen den Rohren (12, 14) überbrücken, um den Ringraum (16) in eine Vielzahl von im wesentlichen parallelen Längskanälen (22, 24) aufzuteilen,.von denen jeder zwischen den Seitenkanten des Streifens aus gewelltem Metallblech

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verlaufen, daß die benachbarten Wicklungen des Streifens (18) aus gewelltem Metallblech im Abstand voneinander liegen und somit einen spiralförmig und/oder schraubenförmig gewundenen Freiraum zwischen den Seitenkanten benachbarter Wicklungen bildet, wodurch die wirksame Länge jedes Längskanales (22, 24) auf die einer einzelnen Wellung des Streifens reduziert wird und wodurch ein abgebogener, gekrümmter Strömungsmittelfluß des Wärmeaustauschmediums zwischen den serienverwandten Längskanälen entlang dem Ringraum (16) erfolgt, daß der Abstand zwischen den Rohren (12, 14) so gewählt ist, daß der Innen- und der Außenumfang des metallischen Leitbleches aus gewelltem Metallblechstreifen radiale Kompressionskräfte aufnimmt,- so daß die Wellungen unter radialer Kompression stehen und einer solch ausreichenden Krafteinwirkung stehen, daß ein gutes Wärmeübergangsverhältnis zwischen jedem der Rohre und dem anliegenden Leitblech sichergestellt ist, und daß hinsichtlich der entscheidenden Verbesserung der gewellte Metallstreifen eine Vielzahl von kleinen Löchern (28) trägt, um den Siede-Wärmeübergangskoeffizienten des Wärmeaustauschers für ein Siedeströmungsmedium zu verbessern, welches zwischen den Rohren strömt und dabei die Oberflächen des gewellten Metallblechstreifens passiert.
2. Wärmeaustauschereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet s- daß die kleinen Löcher (28) in gleichförmigen Reihen und Säulen ausgebildet sind.
3. Wärmeaustauschereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die kleinen Löcher (28) entlang dem Innen- und dem Außenumfang des schraubenförmig gewundenen und gewellten Metallblechstreifens (18) ausgebildet sind, um an den Scheiteln (18a) und den Wellentälern (18b) der Wellungen des Leitblechs Öffnungen vorzusehen.

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4. Wärmeaustauschereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (28) innerhalb des schraubenförmig gewundenen, gewellten Metallblechstreifens (18) so ausgebildet sind, daß einige der Löcher Öffnungen an den Scheiteln (18a) und den Kellentälern (18b) der Wellungen des Leitbleclis auf we is en.

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