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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Durchführen eines
Wärmetauschs zwischen
einer Hochtemperatur-Flüssigkeit
und einer Niedrigtemperatur-Flüssigkeit
und insbesondere einen Wärmetauscher,
der es wirtschaftliche Effekte bietet und eine hohe Zuverlässigkeit
und Sicherheit besitzt.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Grundsätzlich wird
ein Wärmetauscher
als Erhitz-/Kühl-Gerät, ein Verdampfer
oder ein Kondensator in einer Anlage zur Stromerzeugung durch Temperaturunterschiede,
Dampfkraft, Chemie, zur Nahrungsmittelverarbeitung und ähnlichem,
als eine Kältemaschine
und als eine Wärmepumpe
verwendet. Ein solcher Wärmetauscher
kann einen Wärmetausch
zwischen einer Hochtemperatur-Flüssigkeit und
einer Niedrigtemperatur-Flüssigkeit
zum Zwecke des Erhitzens, Kochens, Verdampfens, Kühlens und Kondensierens
von Flüssigkeit
durchführen.
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Der
herkömmliche
Wärmetauscher
kann klassifiziert werden in eine Hülle und einen Röhren-Wärmetauscher,
einen Wärmetauscher
vom Platten-Typ, einen Wärmetauscher
vom Spiral-Typ und dergleichen. Der Wärmetauscher vom Platten-Typ
wird etwa als ein Verdampfer zum Kochen und Verdampfen einer Arbeitsflüssigkeit
mit einer niedrigen Temperatur durch Wärme einer Hochtemperatur-Flüssigkeit
verwendet, und als ein Kondensator zum Absorbieren von Wärme durch
eine Niedrigtemperatur-Flüssigkeit,
um eine Arbeitsflüssigkeit mit einer
hohen Temperatur in einer Anlage zur Elektrizitätserzeugung durch Temperaturunterschiede
zu kondensieren, als ein Kühlgerät und als
eine Wärmepumpe.
Ein Beispiel des herkömmlichen
Wärmetauschers
vom Platten-Typ, der als Verdampfer und Kondensator verwendet wird,
ist in den 6 und 7 gezeigt. 6 ist
eine perspektivische Explosionsansicht, die wesentliche Komponenten
des herkömmlichen
Wärmetauschers
illustriert. 7 ist eine schematische, erläuternde
Ansicht des herkömmlichen
Wärmetauschers
in einer zusammengebauten Form.
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Der
konventionelle Wärmetauscher 100 vom Platten-Typ
ist, so wie in den 6 und 7 gezeigt,
mit einer Vielzahl von Paaren von Platten 101, 102 ausgestattet.
In jedem Paar ist die Platte 101 auf der anderen Platte 102 angeordnet.
Obere und untere Führungsstangen 105, 106,
die zwischen einem stationären
Rahmen 103 und eine Stützstange 104 gehalten
werden, stützen
die Vielzahl von Paaren dieser Platten 101, 102.
Die Vielzahl von Paaren von Platten 101, 102 werden
zwischen dem stationären Rahmen 103 und
einem bewegbaren Rahmen 107 festgehalten, der auf den Führungsstangen 105, 106 angebracht
ist. Zwei Wärmetauschgänge A, B
sind auf den gegenüberliegenden
Oberflächen
jeder der Platten 101, 102 gebildet. Eine Wärmetauschflüssigkeit 108 mit
einer hohen oder niedrigen Temperatur fließt in dem Wärmetauschgang A und eine Arbeitsflüssigkeit 109 fließt in dem
anderen Wärmetauschgang
B, um einen Wärmetausch
durchzuführen.
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Die
oben genannten Platten 101, 102 mit einer vorgegebenen
Form und Oberflächeneigenschaft können durch
Pressformen eines plattenförmigen Materials
erhalten werden. Öffnungen "a", "b", "c" und "d",
durch die die Wärmetauschflüssigkeit 108 oder
die Arbeitsflüssigkeit 109 fließen können, werden
an vier Ecken jeder der Platten 101, 102 gebildet. Dichtelemente 111, 112 sind
auf den Flächen
der Platten 101, 102 jeweils angeordnet, um zu
verhindern, dass sich die Wärmetauschflüssigkeit 108 und die
Arbeitsflüssigkeit 109 mischen.
Die Platten 101, 102 haben die gleiche Form, jedoch
ist die Platte 102 ist relativ zu der normalen Anordnung
der Platte 101 kopfstehend angeordnet.
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In
dem herkömmlichen
Wärmetauscher
mit der oben beschriebenen Struktur verläuft die Wärmetauschflüssigkeit 108 oder
die Arbeitsflüssigkeit 109, die
zwischen den Platten 101, 102 in der 7 in
horizontaler Richtung zugeführt
wird, jedoch durch die Öffnungen "a", "b", "c" und "d" und
wendet sich vertikal, um einen vertikalen Fluss zwischen den Platten 101, 102 herzustellen,
wodurch sie in einer komplizierten Weise fließt und zu einem großen Druckverlust
führt.
Dementsprechend ist es notwendig, einen Eingangsdruck jeder der
Flüssigkeiten
zu steigern. Jedoch kann die Flüssigkeitsdichtheit
der Wärmetauschgänge A, B
nicht erreicht werden, solange die Dichtelemente 111, 112 fest
gegen die Platten 101, 102 gepresst sind. Im Hinblick
auf diese Tatsache ist es unmöglich,
den Druck der Wärmetauschflüssigkeit 108 oder
der Arbeitsflüssigkeit 109 über die
vorgegebene Grenze zu erhöhen,
um ein Leck aufgrund unzureichendem Anpressen der Dichtelemente 111, 112 zu
verhindern. Anzahl und Größe der Platten 101, 102 sind
auch eingeschränkt,
was auch Probleme verursacht. Zusätzlich kann eine ausreichende Sicherheit
aufgrund der Verwendung der Dichtelemente 111, 112 nicht
hergestellt werden, wenn Ammoniak oder eine Mischung aus Ammoniak
und Wasser als Arbeitsflüssigkeit 109 verwendet
wird.
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Um
die oben genannten Probleme zu lösen, wurden
zum praktischen Einsatz herkömmliche
Wärmetauscher
vom Platten-Typ verwendet, bei denen die Platten, die durch Pressformen
der Materialplatte in eine vorgegebene Form gebracht werden, durch ein
Lötverfahren
miteinander verbunden sind, um einen einteiligen Körper ohne
Verwendung von Dichtelementen zu bilden, während Wärmetauschgänge auf den gegenüberliegenden
Flächen
jeder Platte gebildet sind, und wobei es keine Notwendigkeit für einen
beweglichen Rahmen und einen stationären Rahmen gibt. Jedoch wird
ein spezielles Werkzeug benötigt,
um die Platten miteinander zu verbinden, was zu komplizierten Herstellungsschritten
führt und hohe
Herstellungskosten verursacht.
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Wenn
der herkömmliche
Wärmetauscher eine
Wärmeübertragungsfläche hat,
auf der unregelmäßige Abschnitte
gebildet sind, um den Wärmeübertragungseffekt
zu verbessern und Flüssigkeit,
die aufgrund von Kondensation erzeugt wird, leicht abzulassen, tritt
ein bemerkenswerter Druckverlust auf. Wenn die Pressgenauigkeit
zur Vorbereitung der Platten 101, 102 nicht so
hoch ist, kommen die Platten 101, 102 an ihren
Abschnitten miteinander in Kontakt, die nicht miteinander in Kontakt
kommen sollten, so dass sich die Pressbedingung der Platten 101, 102 verändert, um
einen gegenteiligen Einfluss auf den engen Kontakt der Dichtelemente 111, 112 zu haben.
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Das
Verhältnis
der Flächen
der Öffnungen "a", "b", "c" und "d" zu
den Platten 101, 102 ist relativ hoch und diese Öffnungen
werden durch einen Beseitigungsprozess gebildet, wie zum Beispiel
durch einen Stanzschritt. Dementsprechend wird für die Platten 101, 102 ein
Schneidprozess durchgeführt, um
Ausschnitte zu bilden, wie zum Beispiel Abfallabschnitte. Wenn die
Platten insbesondere zur Elektrizitätserzeugung durch Temperaturunterschiede
in Seewasser verwendet werden sollen, werden sie aus Material wie
zum Beispiel teurem Titan oder einer speziellen Legierung im Hinblick
auf einen Korrosionswiderstand gebildet, was zum Auftreten von unwirtschaftlichen
Problemen bei den Materialkosten führt. Die vorläufige japanische
Patentschrift Nr. S60-80082 offenbart einen Wärmetauscher vom anderem Platten-Typ,
bei dem die oben beschriebenen Probleme berücksichtigt werden. Ein Wärmetauscher
vom anderen Platten-Typ hat eine Struktur, in der eine Anzahl von
Gangabschnitte, die durch Bilden von Öffnungen auf den Platten erhalten
werden, auf zwei auf den oberen und unteren Seiten beschränkt ist,
um die unwirtschaftlichen Probleme bei den Materialkosten zu lösen und
das Verhältnis
der Fläche
der Wärmeübertragungsseite
zu der Platte extrem zu vergrößern. Jedoch
hat ein Wärmetauscher
vom anderen Platten-Typ die Gangabschnitte, was in dem Auftreten
der unwirtschaftlichen Probleme bei den Kosten der verwendeten Materialien führt. Zusätzlich tragen
die Gangabschnitte der Platte nicht zu dem Wärmetausch bei, und es ist deshalb notwendig,
die Platte zu verwenden, die größer ist, als
die wesentliche Fläche
der Wärmeübertragungsfläche.
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US 3,106,241 beschreibt
eine Hilfseinheit, die in Verbindung mit einem herkömmlichen
Heizsystem verwendet wird, welches einen herkömmlichen Ofen umfasst. Die
Hilfseinheit besteht aus einem Blechgehäuse, das eine Wärmeübertragungseinheit umfasst.
Die Wärmeübertragungseinheit
umfasst eine Bodenwand, eine obere Wand und eine Vielzahl von röhrenförmigen Gängen, die
voneinander beabstandet sind und im wesentlichen parallel zueinander angeordnet
sind. Die Gänge
werden gestützt
durch, verbunden mit und geöffnet
durch die obere Wand und die Bodenwand und sind jeweils aus einer
gestreckten, rechtwinkligen Bauweise im Querschnitt und sind quer
zu dem Gehäuse
angeordnet. Die Bodenwand des Wärmetauschers
ist von dem Gehäuseboden
beabstandet, um eine Bodenkammer zu bilden, in welche sich die unteren
Enden der Röhren öffnen. Die
obere Wand des Tauschers ist von der Abdeckung beabstandet, um eine
obere Kammer bereitzustellen, in welche sich die oberen Enden der Röhren öffnen.
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Das
UK-Patent 782,135 beschäftigt
sich mit dem Bereitstellen einer Wärmefläche zur Verwendung bei Verdampfungs-
und Destillationsanlagen, die zum Austausch oder zur Reparatur leicht
eingesetzt und entfernt werden kann. Die Erfindung besteht aus einem
Wärmetauschelement,
das ein Gehäuse
oder einen Mantel und eine Vielzahl von Röhren umfasst, die sich dadurch
erstrecken. Die Röhren haben
einen gestreckten Querschnitt, der flache Seiten umfasst. Das Wärmetauschelement
ist angepasst, um an einen Wärmetauscher
zu passen und von ihm rechtwinklig zu der Längsachse der Destillations-
oder Verdampfungsanlage entfernt zu werden. Das Gehäuse hat
eine zylinderförmige
oder rechteckige Form, die einen Mantel für die Röhren bildet, die sich von der
Basis zu dem Kopf erstrecken. Der Mantel ist mit Dampf- oder Abgaseinlass-
oder -auslassrohren und mit externen Rollen oder Stützen ausgestattet,
wobei das Wärmetauschelement
aus der Hülle
des Wärmetauschers
oder der Anlage herausgezogen werden kann.
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FR-A-685
208 offenbart einen Wärmetauscher,
der in einer Kammer enthalten ist. Die Röhren des Wärmetauschers sind so angeordnet,
dass ein Ende der Röhren
an der linken Wand und das andere Ende an der rechten Wand befestigt
ist. Die Enden der Röhren öffnen sich
in Kammern auf jeder Seite des Wärmetauschers,
die das Einlassen und Auslassen von Gas ermöglichen.
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DE-A-38
15 070 offenbart einen Kühler,
der ein Gehäuse
umfasst, das in drei isolierte Abschnitte unterteilt ist, einen
Flüssigkeitseinlassabschnitt
für eine
Kühlflüssigkeit,
einen Flüssigkeitsauslassabschnitt
für die
Kühlflüssigkeit
und einen Zwischenabschnitt. Röhrenförmige Elemente,
die parallel angeordnet sind und den Einlassabschnitt mit dem Auslassabschnitt
verbinden, durchlaufen den Zwischenabschnitt. Eine zu kühlende Flüssigkeit
fließt
um die röhrenförmigen Elemente
in dem Zwischenabschnitt. Eine Trennwand ist in jedem der Einlass- und Auslassabschnitte
bereitgestellt, so dass die Kühlflüssigkeit zunächst von
dem Einlassabschnitt zu dem Auslassabschnitt fließt, sie
dann von dem Auslassabschnitt durch die röhrenförmigen Elemente zu dem Einlassabschnitt
zurückgeführt wird,
und sie danach wieder durch die röhrenförmigen Elemente zurück zu dem Auslassabschnitt
zurückgeführt wird,
bevor die Kühlflüssigkeit
durch einen Auslassanschluss abgelassen wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung, die getätigt wurde, um die oben beschriebenen
Probleme zu lösen,
ist es deshalb, einen Wärmetauscher
bereitzustellen, in dem die Stützstruktur
der Wärmeübertragungsflächen verbessert
ist, um die Nicht-Verwendung von Dichtelementen zu erlauben und
von den aufgrund ihrer Verwendung bestehenden Einschränkungen
zu entlasten, wobei die Wärmeübertragungsfläche eine
einfache Form hat, um Herstellungskosten zu reduzieren und Zuverlässigkeit
und Sicherheit zu verbessern.
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Um
das vorgenannte Ziel zu erreichen, umfasst der Wärmetauscher der vorliegenden
Erfindung zum Durchführen
eines Wärmetauschs
zwischen einer Hochtemperatur-Flüssigkeit
und einer Niedertemperatur-Flüssigkeit:
eine
Hülle in
Kastenform, wobei ihr Inneres durch wenigstens zwei parallele Trennwände in wenigstens drei
in einer vorgeschriebenen Richtung angeordnete Zonen aufgeteilt
ist, und
eine Vielzahl von röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen, wobei
die Wärmeübertragungselemente
eine Vielzahl von röhrenförmigen Körpern umfassen;
die jeder sich gegenüberliegende
offene Enden und zwei Flächen
haben, die sich mit einem vorgegebenen Abstand parallel zueinander
gegenüberliegen,
wobei die röhrenförmigen Körper parallel
zueinander in einer Zwischenzone der Zonen der Hülle angeordnet sind, die sich
zwischen zwei benachbarten Zonen befindet, die von der Zwischenzone
verschieden sind, so dass eine zentrale Achse jedes der röhrenförmigen Körper mit
einer vorgeschriebenen Richtung übereinstimmt
und sich die Flächen
der röhrenförmigen Körper parallel
zueinander gegenüberliegen,
wobei die röhrenförmigen Körper durch
die wenigstens zwei parallelen Trennwände verlaufen, so dass sich
die gegenüberliegenden
offenen Enden jedes der röhrenförmigen Körper jeweils
in den beiden der Zwischenzone benachbarten Zonen befinden, und
ein Inneres jedes der röhrenförmigen Körper von
der Zwischenzone isoliert ist,
einen Zuleitungsanschluss, der
auf einer Seitenfläche
der Hülle
angeordnet ist, die der Zwischenzone zugewandt ist,
eine Führungsplatte,
die in einer vorgegebenen Position zwischen dem Zuleitungsanschluss
und den röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen
angeordnet ist,
wobei ein Wärmetausch
durch die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
durchgeführt
wird, die als Wärmeübertragungsflächen dienen,
indem eine der Hochtemperatur-Flüssigkeit
oder der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit
einer der beiden, der Zwischenzone der Hülle benachbarten Zonen unter
einem vorgegebenen Druck zugeführt
wird, um zu bewirken, dass die eine der Hochtemperatur-Flüssigkeit
oder der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit
durch die röhrenför migen Wärmeübertragungselemente
läuft,
und die eine der Hochtemperatur-Flüssigkeit
oder der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit
aus der anderen der beiden, der Zwischenzone benachbarten Zonen
ausgelassen wird, während
die andere der Hochtemperatur-Flüssigkeit
oder der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit
von dem Zuleitungsanschluss der Zwischenzone zugeführt wird,
um zu bewirken, dass sie zwischen den röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen in eine
Richtung fließt,
die senkrecht zu einer axialen Richtung der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente ist.
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Der
Wärmetauscher
der vorliegenden Erfindung hat eine Struktur, so dass die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente,
die als die Wärmeübertragungsflächen zum
Durchführen
eines Wärmetauschs
dienen, in der kastenförmigen
Hülle angeordnet
sind, wobei eine beliebige der Hochtemperatur-Flüssigkeit und der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit durch
das Innere der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
fließt
und die andere der Hochtemperatur-Flüssigkeit und der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit
durch die Region fließt,
die die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
umgibt, in einer zu der oben erwähnten
beliebigen Flüssigkeit
senkrechten Richtung, so dass der Wärmeaustausch zwischen der Hochtemperatur-Flüssigkeit
und der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit
durch die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
durchgeführt
wird. Als Ergebnis ist es nicht notwendig, irgendein Dichtelement
zu verwenden, um die Lücke
zwischen den Wärmeübertragungsflächen zu
sichern. Zusätzlich
ist es möglich, die
Einschränkung
des auf die Flüssigkeit
angewandten Drucks zu lockern, so dass die Flüssigkeit mit hoher Temperatur
und niedrigem Druck verwendet werden kann. Es ist ebenfalls möglich, eine
große
Anzahl von Wärmeübertragungsflächen anzuordnen
und ihre Größe zu erhöhen, um
die Wärmetauscheffizienz
zu verbessern. Es treten keine undichten Stellen an den Dichtelementen
auf, wodurch die Zuverlässigkeit
bemerkenswert erhöht
wird. Die gegenüberliegenden
Endabschnitte der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
dienen als Einlass in das Innere der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente und Auslass
daraus, und in dem Zwischenabschnitt der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente ist ohne
Verschwendung von Material in einem Schneideprozess für die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
keine Öffnung
gebildet. Es ist deshalb möglich,
wirtschaftliche Effekte zu bieten und den Fließweg der Flüssigkeit zu vereinfachen, um Druckverlust
zu reduzieren.
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In
dem Wärmetauscher
der vorliegenden Erfindung können
die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
als gelegentliche Anforderung auf ihren Oberflächen ein vorgegebenes, unregelmäßiges Muster
haben. Wenn die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
das vorgegebene unregelmäßige Muster
in dieser Weise in der vorliegenden Erfindung haben, ist es möglich, einen
großen
Bereich der Wärmeübertragungsflächen zu
sichern. Zusätzlich
ist es möglich,
Verdampfung und Kondensation effizienter zu bewirken, wenn der Wärmetauscher
als ein Verdampfer oder ein Kondensator verwendet wird.
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In
dem Wärmetauscher
der vorliegenden Erfindung können
die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
als gelegentliche Anforderung eine poröse innere Fläche haben.
Wenn die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
eine poröse
innere Fläche
haben, um bei der Verwendung des Wärmetauschers als ein Verdampfer
Blasenentstehungskerne der Flüssigkeit
zu entfernen, die mit der inneren Oberfläche der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente in Kontakt
kommt, um erwärmt
zu werden und um ein Entfernen der Blasenentstehungskerne, die zu
einer vorgegebenen Größe herangewachsen
sind, von der inneren Oberfläche
der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
zu entfernen, ist es möglich,
die Entstehung von Blasen zu vereinfachen, um eine Verdampfung effizienter
zu bewirken, wodurch die Wärmetauscheffizienz
verbessert wird. Wenn der Wärmetauscher
als Kondensator verwendet wird, ermöglicht die poröse innere Oberfläche der
röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
zusätzlich,
den Bereich für
den Wärmetausch
zu vergrößern, wodurch
die Kondensationseffizienz vergrößert wird.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
eine Seitenansicht, die einen Wärmetauscher
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in installiertem Zustand zeigt;
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2 ist
eine längsgerichtete
Querschnittsansicht des Wärmetauschers
der Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht des wesentlichen Teils des Wärmetauschers
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die einen Querschnittsabschnitt hat;
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4 ist
eine Seitenansicht, die den Wärmetauscher
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in installiertem Zustand zeigt;
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5 ist
eine Seitenansicht, die den Wärmetauscher
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in installiertem Zustand illustriert;
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6 ist
eine perspektivische Explosionsansicht des wesentlichen Teils des
herkömmlichen
Wärmetauschers;
und
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7 ist
eine schematische, beschreibende Ansicht des herkömmlichen
Wärmetauschers
in zusammengesetztem Zustand.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Nachfolgend
wird nun eine Ausführungsform des
Wärmetauschers
der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben. 1 ist
eine Seitenansicht, die den Wärmetauscher
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in seinem installierten Zustand zeigt, 2 ist eine längsgerichtete
Querschnittsansicht des Wärmetauschers
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und 3 ist eine
perspektivische Ansicht des wesentlichen Teils des Wärmetauschers
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, der einen Querschnitts-Abschnitt hat.
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Wie
die 1 bis 3 zeigen, ist der Wärmetauscher 1 der
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aus einer Hülle 2 mit einer Kastenform
und aus einer Vielzahl von röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen 3 aufgebaut.
Das Innere der Hülle 2 ist
in drei Zonen unterteilt, die durch zwei parallele Trennwände 2a, 2b in
vertikaler Richtung angeordnet sind. Die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 umfassen
eine Vielzahl von röhrenförmigen Körpern, die
jeder gegenüberliegende
offene Enden und zwei Oberflächen
haben, die mit einem vorgegebenen Abstand einander parallel gegenüberliegen.
Die röhrenförmigen Körper sind
parallel zueinander in einer Zwischenzone 4 der drei Zonen
der Hülle 2 angeordnet,
so dass die zentrale Achse jedes der röhrenförmigen Körper mit der vertikalen Richtung übereinstimmt
und die Oberflächen
der röhrenförmigen Körper einander
parallel gegenüberliegen. Die
röhrenförmigen Körper verlaufen
durch die parallelen Trennwände 2a, 2b,
so dass sich die gegenüberliegenden
offenen Enden jedes der röhrenförmigen Körper in
der oberen Zone 5 und der unteren Zone 6 befinden,
die jeweils der Zwischenzone 4 benachbart sind, und das
Innere jedes röhrenförmigen Körpers von
der Zwischenzone 4 isoliert ist.
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Die
Hülle 2 ist
aus einem metallischen Körper
mit einer rechteckigen Kastenform gefertigt. Die Hülle 2 hat
die Trennwand 2a in einer Position bereitgestellt, die
durch einen vorgeschriebenen Abstand von dem oberen Ende beabstandet
ist, so wie auch die Trennwand 2b, die in der anderen Position
bereitgestellt ist, durch einen vorgeschriebenen Abstand von dem
unteren Ende beabstandet ist. Das Innere der Hülle 2 ist in drei
Zonen unterteilt, das heißt,
die obere Zone, die Zwischenzone 4 und die untere Zone 6.
Der kastenförmige
Körper
hat an seinem oberen Abschnitt eine obere Einlass-Auslass-Öffnung 5a, durch
die der oberen Zone 5 eine Arbeitsflüssigkeit mit einem vorgegebenen
Druck zugeführt
wird oder aus ihr ausgelassen wird. Der kastenförmige Körper hat an seinem unteren
Abschnitt eine untere Einlass-Auslass-Öffnung 6a, aus der
die Arbeitsflüssigkeit
aus der unteren Zone ausgelassen wird oder ihr zugeführt wird.
Die Hülle 2 hat
auf der einen Seitenfläche
der Hülle 2,
die der Zwischenzone 4 zugewandt ist, einen Zuleitungsanschluss 4a,
durch den eine Wärmetauscherflüssigkeit
zugeführt
wird. Die Hülle 2 hat
auf der gegenüberliegenden
Seitenfläche der
Hülle 2,
die der Zwischenzone 4 zugewandt ist, auch einen Auslassanschluss 4b,
durch den die Wärmetauscherflüssigkeit
ausgelassen wird.
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Die
röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 sind
aus metallischen Röhrenkörpern gefertigt,
die ein großes
Seitenverhältnis
(Aspect Ratio) und einen rechteckigen Querschnitt haben. Die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 sind vertikal
in der Zwischenzone 4 angeordnet, so dass ihre gegenüberliegenden
Endabschnitte jeweils durch die Trennwände 2a, 2b hindurch
verlaufen. Die röhrenförmigen Übertragungselemente 3 sind
an ihren Abschnitten, die durch die Trennwände 2a, 2b hindurch
verlaufen, an den Trennwänden 2a, 2b befestigt,
um in einen engen Kontakt mit den Trennwänden 2a, 2b zu
gelangen, ohne eine Lücke
zu bilden. Der enge Kontakt der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 mit
den Trennwänden 2a, 2b bewirkt,
dass die obere Zone 5 und die untere Zone 6 von
der Zwischenzone 4 isoliert sind. Die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 haben
auf ihren Oberflächen
ein vorgegebenes unregelmäßiges Muster,
um die Gesamtfläche
der Wärmeübertragungsflächen zu
vergrößern und
die Festigkeit zu verbessern.
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Es
wird nachfolgend eine Beschreibung eines Wärmetauschvorgangs des Wärmetauschers
mit der oben beschriebenen Struktur gegeben, der als ein Kondensator
verwendet wird.
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Wenn
der Wärmetauscher
als Kondensator verwendet wird, wird eine Gasphasen-Arbeitsflüssigkeit
mit einem vorgegebenen Druck durch die obere Einlass-Auslass-Öffnung 5a in
die obere Zone 5 der Hülle 2 zugeführt, um
zu bewirken, dass die Arbeitsflüssigkeit
in absteigender Richtung in die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 fließt. Eine Niedrigtemperatur-Flüssigkeit
wird durch den Zuleitungsanschluss 4a kontinuierlich zugeführt, der
auf der einen Seitenfläche
der Hülle 2 zu
der Zwischenzone 4 gebildet ist, während die Niedrigtemperatur-Flüssigkeit
aus dem Auslassanschluss 4b ausgelassen wird, der auf der
gegenüberliegenden
Seitenfläche
der Hülle 2 gebildet
ist. Die Niedrigtemperatur-Flüssigkeit
fließt
zwischen den röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen 3 in
die zu der Fließrichtung
der Arbeitsflüssigkeit
senkrechten Richtung in die Wärmeübertragungselemente 3,
um einen Wärmetausch
durchzuführen,
indem sie als Wärmeübertragungsflächen verwendet
werden. Die Arbeitsflüssigkeit
kommt mit dem Inneren der inneren Oberfläche der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 in
Kontakt, um Wärme
durch die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
an die außerhalb
von ihnen fließende
Niedrigtemperatur-Flüssigkeit
abzugeben, um auf der inneren Oberfläche der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 zu kondensieren,
um eine Flüssigphase
zu werden. Die in dieser Weise verflüssigte Arbeitsflüssigkeit
fließt unverzüglich entlang
der inneren Fläche
der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 abwärts. Die
Arbeitsflüssigkeit
gelangt von den röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen 3 in
die untere Zone 6 und wird aus der unteren Einlass-Auslass-Öffnung 6a ausgelassen.
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Der
Wärmetauscher
der Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung hat eine Struktur, so dass die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3, die
aus den röhrenförmigen Körpern aufgebaut
sind, die als die Wärmeübertragungsflächen für den Wärmetausch
dienen, in der Hülle 2 angeordnet
sind, und die Arbeitsflüssigkeit
in die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 fließt, während die
Niedrigtemperatur-Wärmetauscher-Flüssigkeit
oder die Hochtemperatur-Wärmetauscher-Flüssigkeit
in die Zwischenzone 4 fließt, die die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 umschließt, um einen Wärmetausch
durch die Wärmeübertragungselemente 3 durchzuführen. Dementsprechend
ist es möglich,
den großen
Bereich der Wärmeübertragungsflächen in
der gleichen Weise si cherzustellen, wie bei dem herkömmlichen
Wärmetauscher
vom Platten-Typ. Es ist nicht notwendig, irgendein Element zum Sichern
von Lücken
zwischen den Wärmeübertragungsflächen zu
verwenden und die Einschränkungen
des Drucks abzubauen, der auf die Flüssigkeit wirkt, wodurch es
möglich
wird, die Flüssigkeit
mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck zu verwenden (zum
Beispiel einem Druck von bis zu ungefähr 200-fachem Luftdruck). Zusätzlich ist es
möglich,
die Wärmeübertragungsflächen in
einer größeren Anzahl
parallel anzuordnen als der herkömmliche
Wärmetauscher,
und die vergrößerten Wärmeübertragungsflächen zu
verwenden, wodurch die Wärmetauscheffizienz
verbessert wird. Es ist auch möglich,
ein Leckproblem zu lösen,
das an einem Ort auftreten kann, wo Dichtelemente verwendet werden,
wodurch Zuverlässigkeit
und Sicherheit bemerkenswert verbessert werden. Die gegenüberliegenden
Enden jedes der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 dienen
als Einlass und Auslass, die jeweils mit ihrem Inneren in Wechselwirkung stehen.
Als Ergebnis ist es möglich,
jedes der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 in
der einfachsten röhrenförmigen Form
zu bilden, um die Produktion von Abfallabschnitten in dem Schneidschritt für die röhrenförmige Wärmeübertragungselemente 3 zu
verhindern. Dementsprechend können
die Herstellungskosten reduziert werden. Die Flusslinie der Flüssigkeit
kann auch vereinfacht werden, wodurch Druckverlust reduziert wird.
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In
der Ausführungsform
des Wärmetauschers
der vorliegenden Erfindung sind die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 aus
röhrenförmigen Körpern aufgebaut,
die jeweils aus einer einzelnen metallischen Platte gefertigt sind,
um den einfachen rechteckigen Querschnitt zu bilden. Es kann eine
Struktur eingerichtet werden, dass zwei Platten durch einen Abstandshalter
zu einem einteiligen Körper
miteinander verbunden werden, um den röhrenförmigen Körper mit dem rechteckigen Querschnitt
zu bilden. In Bezug auf die Struktur zum Stützen der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 parallel
zueinander, wird ein Abstandshalter zwischen den beiden benachbarten,
parallel zueinander angeordneten röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen 3 angeordnet,
und der Abstandhalter und die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 werden
miteinander verklebt oder verschweißt, um einen einteiligen Körper zu
bilden, außer
der Einrichtung der Stützstruktur,
die die Trennwände 2a, 2b verwendet.
Gemäß einer
solchen Struktur ist es möglich,
die Lücke
zwischen den parallelen, sich gegenüberliegenden Flächen jedes
der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3,
sowie die Lücke zwischen
den benachbarten beiden röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen 3 genau
beizubehalten, um einen ausreichenden Wärmeübertragungsbereich relativ
zu einer Volumeneinheit in der gleichen Weise sicherzustellen, wie
der herkömmliche Wärmetauscher
vom Platten-Typ.
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In
dem Wärmetauscher
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung haben die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 auf
ihren Oberflächen
ein vorgegebenes unregelmäßiges Muster.
Zusätzlich
zu einer solchen Struktur können die
röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 über ihre
Gesamtheit eine poröse
innere Fläche
haben. In diesem Fall ist es möglich,
bei der Verwendung des Wärmetauschers
als Verdampfer Blasenerzeugungskerne der Arbeitsflüssigkeit
zu vergrößern, die
auf der inneren Oberfläche
der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 in
der Flüssigphase ist,
und ein Entfernen der Blasenerzeugungskerne, die zu einer vorgegebenen
Größe herangewachsen sind,
von der inneren Fläche
des röhrenförmigen Wärmeübertragungselements 3 zu
vereinfachen. Es ist deshalb möglich,
die Erzeugung von Blasen zu vereinfachen, um eine effizientere Verdampfung
zu bewirken, wodurch die Wärmetauscheffizienz
verbessert wird.
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In
dem Wärmetauscher
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 in
der Hülle 2 mit
dem einfachen rechteckigen Querschnitt parallel zueinander angeordnet.
Die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 können in
der Hülle 2 in
der Flussrichtung der Wärmetauscherflüssigkeit
seriell oder in Zickzack-Form angeordnet sein. In diesem Fall ist
es möglich,
die durch die Hülle 2 verlaufende Wärmetauschflüssigkeit
effizienter mit der Oberfläche
der röhrenförmigen Wärmeübertragungs elemente 3 in
Kontakt zu bringen, um einen stabilen Wärmetausch zwischen der Wärmetauscherflüssigkeit
und der Arbeitsflüssigkeit
herzustellen, wodurch die Wärmetauscheffizienz
verbessert wird.
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Bei
dem Wärmetauscher
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat die Hülle 2 den Zuleitungsanschluss 4a,
durch den die Wärmetauscherflüssigkeit
zugeführt
wird, auf der einen Seitenfläche
der Hülle 2,
die der Zwischenzone 4 zugewandt ist, und den Auslassanschluss 4b,
durch den die Wärmetauscherflüssigkeit
ausgelassen wird, auf einem vorgegebenen Abschnitt der gegenüberliegenden
Seitenflächen
der Hülle 2,
die der Zwischenzone 4 zugewandt ist. Der Zuleitungsanschluss 4a und
der Auslassanschluss 4b können auf jeder der Seitenflächen der
Hülle 2 gebildet
sein, solange die Fließrichtung
der Flüssigkeit
von dem Zuleitungsanschluss 4a zu dem Auslassanschluss 4b rechtwinklig zu
der axialen Richtung der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 ist.
Zum Beispiel können der
Zuleitungsanschluss 4a und der Auslassanschluss 4b jeweils
auf dem oberen und unteren Abschnitt der gleichen Seitenfläche gebildet
sein, die der Zwischenzone 4 zugewandt ist.
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In
dem Wärmeetauscher
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gibt es kein Hindernis zwischen dem Zuleitungsanschluss 4a,
der auf der Seitenfläche
der Hülle 2 gebildet
ist, und jedem der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3, so
dass die Wärmetauschflüssigkeit,
die von dem Zuleitungsanschluss 4a in die Zwischenzone 4 zugeführt wird,
sich sanft durch die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 bewegen
kann. Eine Führungsplatte 7 ist
an einer vorgegebenen Position zwischen dem Zuleitungsanschluss 4a und
dem röhrenförmigen Wärmeübertragungselement 3 in
der Zwischenzone 4 wie in 4 gezeigt
bereitgestellt, um den Fluss der Wärmetausch-Flüssigkeit,
die von dem Zuleitungsanschluss 4a zugeführt wird,
in die obere und untere Richtung aufzuteilen. In diesem Fall ist
es möglich,
die Wärmetauschflüssigkeit
gleichmäßig in die
obere und untere Richtung zwischen dem Zuleitungsanschluss 4a und
dem röh renförmigen Wärmeübertragungselement 3 zu
führen,
ohne eine Strömung
zu bewirken.
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In
dem Wärmetauscher
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat die Hülle 2 die einzelne
obere Einlass-Auslass-Öffnung 5a,
die einzelne untere Einlass-Auslass-Öffnung 6a, den einzelnen
Zuleitungsanschluss 4a und den einzelnen Auslassanschluss 4b.
Jede dieser Komponenten kann in der Hülle 2 in größerer Anzahl
gebildet sein, wie 5 zeigt. In diesem Fall ist
es möglich,
zu bewirken, dass die Arbeitsflüssigkeit
und die Wärmetauscherflüssigkeit
gleichmäßig in jedes
der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 und
jeweils zwischen ihnen in die Zwischenzone 4 fließt.
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In
dem Wärmetauscher
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann bei der Verwendung des Wärmetauschers
als Verdampfer ein Ultraschallvibrator zum Vibrieren der Arbeitsflüssigkeit
durch eine Ultraschallwelle auf der stromaufwärts gelegenen Seite der unteren
Einlass-Auslass-Öffnung 6a bereitgestellt
werden, durch die die Arbeitsflüssigkeit
zu der unteren Zone 6 in der Flüssigphase zugeführt wird.
In diesem Fall erzeugt die Ultraschallwelle feine Blasen in der
Arbeitsflüssigkeit. Wenn
die Arbeitsflüssigkeit
einschließlich
der feinen Blasen die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 von
der unteren Zone 6 erreicht, steigen die Blasen entlang
der inneren Oberfläche
der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 zur
Oberfläche
der Arbeitsflüssigkeit,
um die Arbeitsflüssigkeit aufzurühren, die
in der Nähe
der inneren Oberfläche der
röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 in
der Flüssigphase
existiert. Es ist deshalb möglich, einen
angemessenen Kontakt der Arbeitsflüssigkeit mit der inneren Oberfläche der
röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 zu
vereinfachen, wodurch die Verdampfungseffizienz verbessert wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung, so wie sie im Detail beschrieben wurde, hat der Wärmetauscher
eine Struktur, dass die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente,
die als die Wärmeübertragungsflächen zum
Durchführen
eines Wärme tauschs dienen,
in der kastenförmigen
Hülle angeordnet
sind, wobei eine beliebige der Hochtemperatur-Flüssigkeit und der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit
durch das Innere der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
verläuft,
und die andere der Hochtemperatur-Flüssigkeit und der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit durch
die Region verläuft,
die die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
in einer Richtung umgibt, die senkrecht zu der oben erwähnten beliebigen Flüssigkeit
ist, so dass der Wärmetausch
zwischen der Hochtemperatur-Flüssigkeit
und der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit
durch die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
durchgeführt
werden kann. Als Ergebnis ist es nicht notwendig, Dichtelemente
zu verwenden, um die Lücke
zwischen den Wärmeübertragungsflächen zu
sichern. Zusätzlich
ist es möglich, eine
Einschränkung
des auf die Flüssigkeit
angewandten Drucks zu lockern, so dass die Flüssigkeit mit einer hohen Temperatur
und einem hohen Druck verwendet werden kann. Es ist auch möglich, eine große Anzahl
von Wärmeübertragungsflächen anzuordnen
und deren Größe zu vergrößern, um
die Wärmeübertragungseffizienz
zu verbessern. Es gibt kein Auftreten von Lecks an den Dichtelementen,
wodurch die Zuverlässigkeit
und Sicherheit bemerkenswert verbessert wird. Die gegenüberliegenden
Endabschnitte der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
dienen als ein Einlass zu dem Inneren der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente und ein
Auslass daraus, und es gibt keine Öffnung, die in dem Zwischenabschnitt
der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
ohne Verschwenden von Material in einem Schneidprozess für die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
gebildet ist. Es ist deshalb möglich,
wirtschaftliche Effekte bereitzustellen und die Flusslinie der Flüssigkeit
zu vereinfachen, um Druckverlust zu reduzieren.
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Wenn
die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
in der vorliegenden Erfindung das vorgegebene unregelmäßige Muster
haben, ist es möglich,
einen großen
Bereich der Wärmeübertragungsflächen sicherzustellen.
Zusätzlich
ist es möglich,
Verdampfung oder Kondensation effizienter zu bewirken, wenn der
Wärmetauscher
als ein Verdampfer oder ein Kondensator verwendet wird.
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Wenn
die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
eine poröse
innere Oberfläche
haben, um bei einer Verwendung des Wärmetauschers als Verdampfer
Blasenerzeugungskerne der Flüssigkeit
zu vergrößern, die
mit der inneren Oberfläche
der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
in Kontakt kommt, um erwärmt
zu werden und um ein Entfernen der Blasenerzeugungskerne, die zu
einer vorgegebenen Größe herangewachsen
sind, von der inneren Fläche
der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
zu vereinfachen, ist es möglich,
die Erzeugung von Blasen zu erleichtern, um ein Verdampfen effektiver
zu bewirken, wodurch die Wärmetauscheffizienz
verbessert wird. Zusätzlich
ermöglicht
es die poröse
innere Oberfläche
der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente
bei Verwendung des Wärmetauschers
als Kondensator, den Bereich zum Wärmetausch zu vergrößern, wodurch
die Kondensationseffizienz verbessert wird.