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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmetauschmodul, das dazu bestimmt
ist, Teil des thermisch aktiven Bündels eines Wärmetauschers
zu bilden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner einen mit einem solchen Modul
ausgerüsteten
Wärmetauscher.
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Die
WO-A-98/16 786 beschreibt einen Wärmetauscher, dessen Bündel aus
einem Stapel von Zweiplattenmodulen besteht. Jedes Modul besteht aus
zwei Blechen, die miteinander eine Reihe von parallelen Längskanälen begrenzen,
die ein erstes Wärmetauschfluid
von einem Ende der Module zum anderen leiten. Das Herstellungsverfahren
solcher Module besteht darin, dass zwei ebene Bleche längs paralleler
Längslinien,
die dazu bestimmt sind, die Trennungen zwischen den Kanälen zu bilden,
lasergeschweißt
werden. Eine Umfangsschweißung schließt den Raum
zwischen den beiden Blechen mit Ausnahme eines Ansatzes zur Druckwassereinleitung.
Das Modul wird geformt, indem man Druckwasser zwischen die beiden
Bleche einspritzt, so dass eine Aufblähung der beiden Bleche zwischen
den Schweißraupen
bewirkt wird.
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Die
auf diese Weise ausgeführten
Module werden so gestapelt, dass die Außenflächen der benachbarten Module
längs der
Scheitel der Kanäle
aneinander anliegen. Auf diese Weise bilden sich zwischen den Modulen
weitere Kanäle,
die für
den Umlauf des zweiten Wärmetauschfluids,
im Allgemeinen im Gegenstrom zum ersten Wärmetauschfluid, vorgesehen
sind.
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Dieser
bekannte Wärmetauscher
ist sehr leistungsfähig,
da er für
beide Wärmetauschfluide
die Vorteile des Umlaufs in quasi rohrförmigen Kanälen insbesondere mit einem
geringen Lastverlust bietet.
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Derartige
Wärmetauscher
sind insbesondere bei Anwendungen verwendbar, bei denen die Durchsätze sehr
hoch sind, und zwar insbesondere in Erdölraffinieren, damit insbesondere
ein in eine Behandlungsanlage eintretendes Erdölfluid mit der Wärme vorerwärmt wird,
die von dem Fluid kommt, das gerade der Behandlung unterzogen worden
war, so dass der Wärmeaufwand
der Behandlung sich auf die Zufuhr einer einfachen Ergänzung beschränkt. Derartige
Wärmetauscher
können
eine beträchtliche
Größe von etwa
10 bis 20 Meter Höhe
besitzen, wobei der Umlauf der Fluide in vertikaler Richtung stattfindet, um
Bodenfläche
zu sparen.
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Ein
Bau von solcher Höhe
verursacht hohe Baukosten für
die mechanische Stabilität,
die Wärmeisolation
gegenüber
dem Äußeren und
die Fluidanschlüsse.
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Die
Schriften DE-A1-196 39 115 und GB-A-1 286 446 beschreiben Plattenwärmetauscher,
bei denen zwei Bleche durch Schweißraupen verbunden sich, die
sich verzweigende Kanäle
begrenzen. Nach Verzweigung erstrecken sich die gebildeten Kanäle nebeneinander
längs einer
oder mehrerer 180°-Krümmungen.
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Die
FR-A-589 212 beschreibt ein Kühlermodul,
das aus zwei Blechen gebildet ist, die durch Nahtlinien verbunden
sind, die miteinander eine Gruppe von Kanälen begrenzen, die eine Schleifenkonfiguration
besitzen, deren beide einander gegenüberstehenden Enden an zwei
einander benachbarte Kollektoren angeschlossen sind.
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Ziel
der Erfindung ist es, die Herstellung von Wärmetauschern zu gestatten,
die viel kompakter als die gemäß der WO-A-98/16786 sind und
gleichzeitig ebenso leistungsfähig
wie diese sind.
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Erfindungsgemäß ist das
Wärmetauschmodul,
das dazu bestimmt ist, Teil eines Stapels solcher Module zu bilden,
und zwei Bleche umfasst, die längs Linien
aneinander anliegen, die miteinander eine Gruppe von Kanälen bilden,
die im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene nebeneinander angeordnet
sind und dazu bestimmt sind, von einem Wärmetauschfluid durchflossen
zu werdeN, indem sie von einer von zwei Anschlussöffnungen
des Moduls zur anderen zueinander fluidisch parallel sind, wobei
die Gruppe von Kanälen
eine allgemeine U-förmige
Anordnung besitzt, die zwischen zwei Längsschenkeln eine Krümmung aufweist
und die diese Anschlussöffnungen
miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass diese Linien
die Bleche aneinander durch Verschweißung befestigen und die Anschlussöffnungen
angeordnet sind, um seitlich voneinander entfernte Anschlussmittel
aufzunehmen.
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Bei
gleicher abgewickelter Länge
der Kanäle ist
das erfindungsgemäße Modul
zweimal weniger lang und gestattet deshalb beispielsweise bei einer vertikalen
Anwendung die Herstellung eines Wärmetauschturms, der etwa zweimal
weniger hoch ist. Im Verhältnis
zu einer solchen Höheneinsparung
ist der etwas erhöhte
Platzbedarf am Boden ein vernachlässigbarer Nachteil. Man stellt
sogar fest, dass der Turm, der gleichzeitig weniger hoch ist und
eine größere Grundfläche besitzt,
infolgedessen viel gedrungener und damit in mechanischer Hinsicht
von selbst stabil ist.
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Die
Vorteile der Erfindung sind nicht auf Wärmetauscher vom Typ Turm beschränkt. Ein
erfindungsgemäßer Wärmetauscher
ist beispielsweise besonders vorteilhaft, wenn das zweite Fluid
zwischen den Modulen quer zu den Schenkeln des U's fließt. Dank der Erfindung trifft
jeder Faden eines der Wärmetauschfluide
zweimal nacheinander und nicht mehr nur einziges Mal den Weg, den
ein Faden des anderen Wärmetauschfluids
nimmt.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine Konfiguration in Form eines einfachen
U's begrenzt. Man
kann auch vorsehen, dass die Kanäle
durch einen dritten Längsschenkel
verlängert
werden, der an einen der beiden vorhergehenden über eine zweite 180°-Krümmung in
zur ersten entgegengesetzter Richtung anschließt und so fort.
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Wenn
die Anzahl von Schenkeln geradzahlig ist, und insbesondere wenn
sie gleich zwei ist, besteht einer der großen Vorteile dabei darin, dass
alle Fluidanschlüsse
an einem der Enden des Wärmetauschers
zusammengefasst sind. Insbesondere bei der Turmanordnung können die
Fluidanschlüsse
an der Basis des Turms zusammengefasst werden. Dies vereinfacht
die Ausführung
des Wärmetauschers
und verringert seine Kosten.
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Ein
wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht ferner darin,
dass der Weg des ersten Wärmetauschfluids
an jedem seiner Enden in den Modulen verbessert wurde. Es ist nämlich schwierig, das
erste Wärmetauschfluid
so ausgeglichen wie möglich
zu verteilen, ohne am Ende der Kanäle eine Zone zu bilden, die
mechanisch unstabil, beispielsweise wenig druckfest ist oder im
Gegenteil mechanisch zu stabil ist und beispielsweise während des Hydroforming
das korrekte Aufblähen
der Kanäle
in Nähe
ihrer Enden verhindern würde.
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Gemäß diesem
Aspekt der Erfindung ist das Wärmetauschmodul,
das zwei Bleche umfasst, die gemäß Schweißlinien
verschweißt
sind, die miteinander eine Gruppe von nebeneinander im Wesentlichen in
einer gemeinsamen Ebene angeordneten Kanälen begrenzen, die dazu bestimmt
sind, von einem Wärmetauschfluid
durchflossen zu werden, indem sie zwischen zwei Anschlussöffnungen
des Moduls zueinander fluidisch parallel sind, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kanäle
ausgehend von einem Längsbereich
einen konvergierenden Bereich aufweisen, der sich auf eine Verteilungskammer
zu krümmt,
die ein erstes Ende der Kanäle
jeweils mit einer der beiden Anschlussöffnungen des Moduls nach außen verbindet.
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Auf
diese Weise konvergieren die Kanäle
auf die Verteilungskammer zu. Dies gestattet eine Verringerung der
Größe der Verteilungskammer
und auf diese Weise eine Verringerung der mechanischen Probleme,
die sie verursachen kann. Gleichzeitig trägt die Konvergenz zur Ausgewogenheit
der Verteilung der Durchsätze
bei. Die Verteilungskammer ist auf einen großen Teil ihres Umfangs von
Kanalöffnungen
gesäumt,
was zu ihrer guten Formung und zu einer guten Stabilität ihrer
Form beiträgt.
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Es
ist besonders vorteilhaft, dass die konvergierenden Bereiche der
Kanäle
kreissegmentförmig verlaufen,
wobei alle Kreissegmente vorzugsweise im Wesentlichen denselben
Mittelpunkt haben.
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Allgemein
ist einer der sehr signifikanten innovativen Aspekte der vorliegenden
Erfindung, der sowohl bei der bevorzugten Ausführungsform der Krümmung des
U's als auch bei
der bevorzugten Ausführungsform
der Endzone der Kanäle
auftritt, die Herstellung von gekrümmten, vorzugsweise kreisförmigen Schweißraupen,
die eine Herstellung der ihrerseits gekrümmten und vorzugsweise kreisförmigen Kanäle durch
Hydroforming mit einem im Wesentlichen beibehaltenen Querschnitt
gestatten.
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Eine
der Schwierigkeiten des Hydroforming ist, dass manche Zonen bei
dem Aufblasen Versteifungen bilden, die die gute Verformung anderer
Zonen verhindern. Überraschenderweise
haben die kreisförmigen
Kanäle
keine solche Erscheinung in unvorteilhafter Weise erkennen lassen.
Man hat sogar einen besonderen Vorteil festgestellt: die Kanäle, die
eine Krümmung
in einem sehr kleinen Radius ausführen müssen, werden weniger gut aufgeblasen als
die Kanäle,
die eine größere Krümmung ausführen, was
automatisch die Tatsache ausgleicht, dass das die Kanäle mit größerem Radius
durchfließende Fluid
einen längeren
Weg zurückzulegen
hat. Die Wirkung ist für
die Kanäle,
die für
das zwischen den Modulen fließende
zweite Wärmetauschfluid
vorbehalten sind, umgekehrt, dies ist jedoch nicht störend, wenn
die relative Anordnung der Module dem zweiten Fluid gestattet, von
einem Kanal zum anderen zu gelangen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung ist der Wärmetauscher dadurch gekennzeichnet, dass
er umfasst:
- – einen Stapel von Wärmetauschmodulen
gemäß dem ersten
Aspekt, die in einem Mantel so installiert sind, dass die Enden
der U-förmigen
Anordnung nach einer gemeinsamen Seite des Stapels gerichtet sind,
wobei die Module miteinander im Inneren des Mantels Durchgänge für ein zweites Wärmetauschfluid
begrenzen;
- – erste
Anschlussmittel zum Verbinden der Anschlussöffnungen der Module mit einem
ersten äußeren Kreis
und
- – zweite
Anschlussmittel zum Verbinden der Durchgänge mit einem zweiten äußeren Kreis.
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Weitere
Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung, die sich auf nicht begrenzende Beispiele bezieht.
In der beiliegenden Zeichnung zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Moduls in einem Zwischenstadium
der Herstellung, wobei der mittlere Teil weggebrochen ist,
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2 eine
Halbdarstellung in Draufsicht eines Teils des Moduls von 1,
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3 eine
Schnittansicht gemäß III-III
von 2 während
des Hydroforming,
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4 eine
Schnittansicht gemäß IV-IV
von 3,
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5 eine
auseinander gezogene Teilansicht, die den Zusammenbau der Module
zur Bildung des Bündels
veranschaulicht,
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6 eine
Teilansicht nach diesem Zusammenbau,
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7 eine
perspektivische Detailansicht, die die Verkeilung zwischen den Modulen
im Bündel
veranschaulicht, wobei Teile weggebrochen sind,
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8 eine
perspektivische Ansicht von mehreren im Bündel gestapelten Modulen, wobei
Teile weggebrochen sind,
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9 und 10 Schnittansichten
gemäß IX-IX
bzw. III-III von 2 nach Stapelung der Module,
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11 eine
Längsschnittansicht
des Wärmetauschers
in einer Betriebsstellung,
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12 eine
auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die den Wärmetauscher
zur besseren Deutlichkeit in umgekehrter Stellung zeigt, wobei Teile
weggebrochen sind,
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13 eine
perspektivische Teilansicht, die die Aufhängung des Bündels zeigt,
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14 eine
perspektivische Teilansicht, die die Mittel zur Positionierung der
Module quer zu ihrer eigenen Ebene veranschaulicht, wobei Teile
weggebrochen sind,
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15 eine
Schnittansicht gemäß XV-XV von 16,
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16 eine 2 entsprechende
Ansicht, die sich jedoch auf eine zweite Ausführungsform bezieht,
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17 eine 3 entsprechende
Ansicht, die jedoch eine Schnittansicht gemäß XVII-XVII von 16 ist,
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18 eine
Schnittansicht gemäß XVIII-XVIII
von 17,
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19 eine
Schnittansicht gemäß XVII-XVII von 16 nach
Stapelung der Module,
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20 eine
perspektivische Teilansicht, die eine dritte Ausführungsform
eines Moduls in Nähe der
Anschlussöffnung
zeigt,
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21 eine
perspektivische Teilansicht der Anschlussmittel eines mit Modulen
gemäß 20 ausgerüsteten Bündels,
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22 ein
allgemeines Schema des mit einem solchen Bündel ausgerüsteten Wärmetauschers,
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23 eine
perspektivische Ansicht, die eine Abwandlung für die Schienen von 21 zeigt,
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24 eine
allgemeine Ansicht für
eine Einbauvariante des Wärmetauschers,
und
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25 eine
perspektivische Ansicht, die eine Abwandlung von 21 zeigt.
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Bei
dem in den 1 bis 14 dargestellten
Beispiel wird ein Wärmetauschmodul 1 (1) durch
Laserverschweißung
von zwei anfangs ebenen Metallblechen 2 erhalten, die nach
einem identischen Umriss ausgeschnitten sind. Der Umriss der Bleche 2 hat
eine sehr allgemein rechteckige Form, deren Länge der vertikalen Richtung
von 1 entspricht. An einem hinteren Ende 9 dieser
Länge besitzt
jedes Eck des Umrisses der Bleche 2 eine Abschrägung 3.
Am anderen Ende 19 seiner Länge oder "Modulkopf" bildet der Umriss zwei nebeneinander
angeordnete, allgemein halbkreisförmige Wölbungen 4, die jeweils
durch einen allgemein trapezförmigen
Vorsprung 6 verlängert
sind, dessen Scheitel 7 der kleinen Basis des Trapezes
entspricht.
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Die
Breite der Bleche 2 kann beispielsweise von 100 bis 1600
mm gehen. Die Länge
der Bleche ist nur durch die Abmessung der Mittel begrenzt, die zur
Begrenzung der Dickenausweitung während des Hydroforming-Prozesses
verfügbar
sind, der im Nachstehenden beschrieben wird. In der Praxis sind Bleche
von 10 Metern und mehr möglich.
Dank des Fortschritts hinsichtlich Kompaktheit, der durch die Erfindung
ermöglicht
wird, wie oben dargelegt wurde, gestatten Bleche mit einer Länge von
beispielsweise 8 Metern bereits beträchtliche Wärmetauschwerte, was die übertragene
Wärmeleistung
betrifft.
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Die
Dicke der Bleche kann von 0,2 bis 1,5 mm gehen. Sie ist also sehr
gering, und zwar aus wirtschaftlichen sowie aus thermischen Gründen.
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Die
beiden Bleche 2 werden so miteinander verschweißt, dass
ihr Umriss zusammenfällt.
Die Schweißung
wird mit Laser durchgeführt.
Diese bekannte Technik gestattet es, die Bleche in einem Abstand
von ihren Rändern
mit Hilfe eines die Bleche durchquerenden Strahls miteinander zu
verschweißen,
wodurch ihr örtliches
Schmelzen in der Masse und das gegenseitige Ineinanderdringen des
die beiden Bleche bildenden Metalls bewirkt wird.
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Die
beiden Bleche werden auf diese Weise durch eine Umfangsschweißraupe 8 miteinander
verbunden, die allgemein dem Außenumriss
der beiden Bleche in einem Abstand von einigen Zentimetern innerhalb
dieses Umrisses folgt. Die Umfangsraupe 8 bildet auf diese
Weise ein durchgehendes äußeres U,
das zwei Längsabschnitte 13a umfasst,
die zueinander parallel sind und jeweils an einem der Längsränder 14 des
Umrisses der Bleche entlanglaufen, und eine halbkreisförmige Raupe 11a,
die am Umriss des hinteren Endes 9 des Moduls entlangläuft und die
beiden Längsabschnitte 13a verbindet.
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Zwischen
den beiden Wölbungen 4 bildet
der Umriss der Bleche eine Aussparung mit einem Boden 16,
der beispielsweise etwas diesseits einer zur Breite der Bleche 2 parallelen
und durch die geometrischen Mittelpunkte 18 der Wölbungen
verlaufenden Linie 17 gelegen ist. In dieser Zone entfernt
sich die Umfangsraupe 8 örtlich von dem Außenumriss
der Bleche und bildet insbesondere ein inneres durchgehendes U,
das zwei innere Längsraupen 13g,
die zueinander und zu den äußeren Längsraupen 13a parallel
sind, und eine innere halbkreisförmige
Raupe 11g umfasst. Die Raupe 11g hat denselben
Mittelpunkt 12 wie die äußere halbkreisförmige Raupe 11a und
verbindet die beiden äußeren Längsraupen 13g. Am
Kopf 19 des Moduls sind jede äußere Längsraupe 13a und die
nächstgelegene
innere Längsraupe 13g miteinander
durch eine arkadenförmige
Raupe verbunden, die zwei Kreissegmente umfasst, die zu einem gemeinsamen
auf dem Mittelpunkt 18 zentrierten Kreis gehören, wobei
das eine (21a) die äußere Längsraupe 13a verlängert und
das andere (21g) die innere Längsraupe 13g verlängert. Die
beiden Segmente 21a und 21g jeder Wölbung 4 sind
miteinander durch eine Verbindungsraupe 22 verbunden, die annähernd dem
Umriss des Vorsprungs 6 folgt. Eine der Verbindungsraupen 22 ist
jedoch in ihrer Mitte an einer Stelle unterbrochen, an der ein rohrförmiger Ansatz 23 zwischen
die beiden Bleche 2 eingesetzt ist, um die Einspritzung
eines Hydroformingfluids von außerhalb
des Moduls in den Raum zu gestatten, der zwischen den beiden Blechen
gelegen ist und von der Umfangsraupe 8 umgeben ist. Abgesehen
von dem von dem Ansatz 23 gebildeten Durchgang schließt die Umfangsraupe 8 den
Raum, den sie zwischen den beiden Blechen 2 umgibt, dicht.
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Zwischen
jeder äußeren Längsraupe 13a und
der nächstgelegenen
inneren Längsraupe 13b sind
eine Reihe von parallelen und in gleichen Abständen angeordneten Längsraupen
vorgesehen, die sich jeweils zwischen der Diametrallinie 17 und
der Diametrallinie 24 erstrecken, die senkrecht zu den Raupen 13a und 13g durch
den Mittelpunkt 12 verläuft.
Bei dem dargestellten Beispiel sind die Längsraupen auf jeder Seite der
zentralen Achse 8 in einer ungeraden Anzahl vorgesehen.
Eine zentrale Längsraupe 13d erstreckt
sich gemäß einer
Nebenlängsachse
B, die in gleichen Abständen
zwischen der äußeren Längsraupe 13a und
der nächstgelegenen
inneren Längsraupe 13g verläuft.
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Äußere Zwischenlängsraupen 13b sind
zwischen der Raupe 13a und der Achse B gelegen. Innere
Zwischenlängsraupen 13f sind
zwischen der Achse B und der inneren Längsraupe 13g gelegen. Mit 13c und 13e sind
zwei Zwischenlängsraupen
bezeichnet, die der zentralen Raupe 13d benachbart sind
und auf der Seite der äußeren Raupe 13a bzw. auf
der Seite der inneren Raupe 13g gelegen sind.
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Am
hinteren Ende 9 des Moduls ist jede Zwischenlängsraupe 13b, 13c, 13e, 13f oder
zentrale Längsraupe 13d mit
der bezüglich
der zentralen Achse A des Moduls symmetrischen Längsraupe durch eine halbkreisförmige Raupe 11b, 11c, 11e, 11f bzw. 11d verbunden,
die zu der bereits beschriebenen inneren halbkreisförmigen Raupe 11a und
der bereits beschriebenen äußeren halbkreisförmigen Raupe 11g konzentrisch
sind.
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Es
wurden also zwischen dem äußeren U 13a, 11a, 13a und
dem inneren U 13g, 11g, 13g, die bereits
beschrieben wurden, mehrere durchgehende U-förmige Raupen gebildet, die
miteinander eine Gruppe von Kanälen 25 mit
einer U-Anordnung definieren. Die Kanäle 25 besitzen eine
Breite bzw. einen "Kanalfolge schritt", der bei allen Kanälen der
gleiche ist und der auf allen Kanälen konstant ist.
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Am
Kopf 19 des Moduls sind die Zwischenlängsraupen 13b und 13f durch
kreissegmentförmige Raupen 21b bzw. 21f verlängert, die
auf 18 zentriert sind und längs eines Seitenrandes einer
Verteilungskammer 26 enden, die andererseits durch die
bereits beschriebene Schweißraupe 22 begrenzt
ist. Auf diese Weise besitzen die zwischen den Schweißraupen abgegrenzten
Kanäle 25 an
jedem Ende des U's
einen Bereich 21ac oder 21cd, der auf eine Verteilungskammer 26 zu
konvergiert, mit der sie in Verbindung sind. Die zwischen der äußeren Raupe 21a und der
Zwischenraupe 21c befindlichen Bereiche 21ac krümmen sich
auf die zentrale Achse B des Schenkels des U's und auf die Achse A des Moduls zu.
Die zwischen den Raupen 21c und 21g befindlichen
Bereiche 21cd krümmen
sich auf die Achse B zu, indem sie von der anderen Seite von dieser
kommen und indem sie sich von der Achse A entfernen. Die Bereiche 21ac münden senkrecht
durch eine Seite der Verteilungskammer 26 und die Bereiche 21cg münden senkrecht
durch eine andere Seite der Verteilungskammer 26. Die Kanäle 25 behalten
selbst in dem konvergierenden Bereich 21ac oder 21cg eine Breite
bzw. einen "Kanalfolgeschritt" bei, der bezüglich des
Rests der Kanäle
unverändert
ist. Jeder konvergierende Bereich 21ac folgt einem Verlauf,
der im Wesentlichen in der gekrümmten
Verlängerung
des konvergierenden Bereichs 21cg eines anderen Kanals 25 liegt,
der bezüglich
der Achse B in der Kanalgruppe symmetrisch gelegen ist. Ebenso liegt
jede gekrümmte
Raupe 21b in der gekrümmten
Verlängerung
einer Raupe 21f, wobei die Verteilungskammer 26 eine
Unterbrechung zwischen diesen beiden Raupen bildet. Dagegen sind
die beiden Längsschweißraupen 13c und 13e,
die unmittelbar zu beiden Seiten der zentralen Raupe 13d gelegen
sind, miteinander kontinuierlich durch eine halbkreisförmige Raupe 21c verbunden,
die auf 18 zentriert ist, und die zentrale Raupe 13d endet
bei 18 mit einem Punkt bzw. mit einer "Schweißwarze", die dazu bestimmt ist, die mechanische
Festigkeit des Endes der Raupe zu erhöhen. Ebenfalls aus Gründen der
mechanischen Festigkeit der Verschweißung endet jede kreissegmentförmige Raupe 21b oder 21f mit
einer Schweißwarze 27,
der eine Unterbrechung 28 vorhergeht (vgl. auch 2).
Eine solche Warze kann in der Praxis aus einer kreisförmigen oder
ovalen Raupe kleinen Durchmessers bestehen.
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Für das Hydroforming
legt man die beiden noch ebenen Bleche 2 zwischen zwei
Matrizen 31 und 32 (3) von allgemein
ebener Form, zwischen denen ein freier Abstand E besteht, der der
für die Module
im Bereich der Kanäle
gewünschten
Außendicke
entspricht. In dem Bereich, der dazu bestimmt ist, der Verteilungskammer 26 des
Moduls zu entsprechen, besitzt die Innenseite der Matrizen 31 und 32 eine
Erhebung 29, die dazu bestimmt ist, den freien Abstand
zwischen ihnen auf einen Wert "e" zu bringen, der
bei der Verteilungskammer 26 kleiner als bei dem Bereich
der Kanäle 25 ist.
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Der
Hydroformingvorgang besteht darin, dass eine Flüssigkeit wie Druckwasser zwischen
die Bleche 2 durch den Ansatz 23 eingespritzt
wird. Das zwischen den beiden Blechen im Inneren des Umrisses der
Umfangsraupe 8 eingeschlossene Wasser erzeugt eine Aufweitung
zwischen den Schweißraupen
sowie im Bereich der Verteilungskammer, und zwar innerhalb der von
den Matrizen 31 und 32 zugelassenen Grenze. Auf
diese Weise bildet sich zu beiden Seiten der beschriebenen Kanäle 25 und
andererseits an jedem Ende des U's
der Anordnung der Kanalgruppe eine Verteilungskammer 26.
Die beiden Kammern 26 stehen miteinander über jeden
der zwischen zwei benachbarten Schweißraupen definierten U-förmigen Kanäle in Verbindung,
die auf diese Weise zwischen den Verteilungskammern 26 fluidisch parallel
liegen. 4 zeigt in einem Querschnitt
der Kanäle,
wie diese sich zwischen den Matrizen 31 und 32 und
zwischen den Schweißraupen 11, 13 oder 21 bilden.
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Die
außerhalb
der Umfangsschweißraupe 8 sowie
zwischen den beiden Längsraupen 13c und 13e und
zwischen den beiden entsprechenden halbkreisförmigen Raupen 11c und 11e gelegenen
Blechbereiche sind keinem Druck ausgesetzt und werden keiner Aufweitung
unterzogen. Sie bleiben deshalb eben und aneinander anliegend. Diese
Außenzone 33a,
diese Zwischenzone 33d und diese Innenzone 33g bilden
Versteifungen, die sich als vorteilhaft für die gute Planheit des Moduls
nach dem Hydroforming herausgestellt haben.
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Um
von dem in 1 dargestellten Rohling, der
sich aus dem Hydroforming ergibt, zu einem eigentlichen, so genannten
montagebereiten Modul zur Bildung eines Wärmetauschbündels zu kommen, schneidet
man mit der Säge
oder mit dem Wasserstrahl den Scheitel jedes Vorsprungs 6,
wie in 2 dargestellt, längs einer Linie 34 ab,
so dass jede Verteilungskammer 26 geöffnet wird und der Ansatz 23 entfernt
wird. Das Modul besitzt auf diese Weise zwei Anschlussöffnungen 38 (5 und 6),
die beide am Kopf 19 des Moduls gelegen sind, indem sie
seitlich, d.h. parallel zur Breite des Moduls, gegeneinander versetzt
sind. Jede Verteilungskammer 26 hat die allgemeine Form
eines bezüglich
der Achse B symmetrischen gleichschenkligen Dreiecks. Die Anschlussöffnung 38 ist
in der Basis dieses Dreiecks gebildet. Die beiden Seiten des Dreiecks
sind jeweils durch die Fluchtlinie der Enden der jeweiligen konvergierenden
Bereiche 21ac oder 2cg der Kanäle 25 definiert und
bilden miteinander auf der Achse B einen Winkel C kleiner als 60° und vorzugsweise
gleich etwa 45°,
der der Anschlussöffnung 38 ent gegengesetzt
ist. Schweißraupen 22a, 22g (5),
die von der ursprünglichen
Raupe 22 bestehen bleiben, erstrecken sich jeweils um einen
Teil des Umfangs der Verteilungskammer 26 herum zwischen
jeweils einer der gekrümmten äußersten
Schweißraupen 21a, 21g und
einem entsprechenden Ende der Anschlussöffnung 38, die von
langgestreckter Form ist. Die Schweißraupe 21c, die die
beiden Längsschweißraupen 13c und 13e hermetisch
verbindet, schließt
die Verteilungskammer 26 an ihrer den Winkel C bildenden
Spitze. Im Inneren des Umrisses jeder Kammer 26 sind die
beiden Bleche 2 frei von gegenseitiger Verbindung und insbesondere
von einer geschweißten
Verbindung.
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Wie
in 1 mit Strichpunktlinien dargestellt ist, stellt
man in der inneren ebenen Zone 33g, die im Inneren des
inneren U's 11g, 13g gelegen
ist, einen Ausschnitt 36 längs der Hauptachse A vom Boden 16 der
Aussparung zwischen den beiden Wölbungen 4 an
bis etwa zum Mittelpunkt 12 der Krümmung der U-förmigen
Kanäle
am hinteren Ende 9 des Moduls her.
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Außerdem stellt
man in den Längsrändern 14 in
Nähe der
Abschrägungen 3 in
den Blechen 2 zwei allgemein rechteckige Einschnitte 37 her.
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Die 5 und 6 veranschaulichen
den Zusammenbau der Module zur Bildung eines Bündels. An jedem Ende des U's der Anordnung der
Kanäle
jedes Moduls wird die durch den Schnitt 34 des Vorsprungs 6 gebildete
Anschlussöffnung 38 in Öffnungen 39 entsprechender
Form eingesteckt, die in einer Endplatte 41 vorgesehen
sind, die allen Modulen des herzustellenden Bündels gemeinsam ist. Parallel
zur Breite der Module gemessen, ist die Abmessung 42 der
Platte 41 kleiner als die Breite 43 jedes U-Schenkels eines Moduls,
gemessen zwischen einem der Längsschenkel 14 und
der zentralen Achse A. Die Anschlussöffnungen 38 werden
in den Öffnungen 39 verschweißt, so dass
die Module zueinander in einer Stapelstellung fixiert werden. Die
Geometrie des Stapels ist ferner durch Abstandsmittel definiert, die
Keile 44 (7) umfassen können, die
an der äußeren und
der inneren ebenen Zone 33a, 33g der Module oder
auch an der ebenen Zwischenzone 33d angeschweißt sind.
Diese Keile verhindern, dass die Module sich zueinander insbesondere
quer zu ihrer eigenen Ebene bewegen. Man verwendet auch dreieckige
Keile 46, die zwischen die benachbarten Verteilungskammern 26 eingesetzt
sind, um im Betrieb das Aufblähen
der Verteilungskammern 26 unter der Wirkung des bei Betrieb
im Inneren der Module herrschenden Drucks zu verhindern, der bei
der Mehrzahl der Anwendungen höher
als der des Wärmetauschfluids
ist, das zwischen den Modulen umläuft.
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8 zeigt,
dass man bei dem dargestellten Beispiel zwei Typen von Modulen 101, 102 verwendet,
die sich im Stapel einander abwechseln und die sich durch eine Versetzung
der Kanäle
unterscheiden, wobei die Versetzung einen halben Kanalfolgeschritt
beträgt.
Auf diese Weise sind insbesondere die inneren Längsraupen 13g der
Module 101 näher bei
der Achse A als die Raupen 13g der Module 102, und
zwar um einen halben Kanalfolgeschritt, und der Radius der halbkreisförmigen Raupen 11g der
Module 101 ist kleiner als die Raupen 11g der
Module 102, und zwar um einen halben Kanalfolgeschritt.
Auf diese Weise haben die Kanäle 25 insgesamt
eine versetzte Anordnung, die auch in 9 dargestellt
ist, wobei die Wellenscheitel 47 der Außenfläche eines Moduls den Wellenvertiefungen
gegenüberliegen, die
den Schweißraupen 11, 13 oder 21 eines
benachbarten Moduls entsprechen. Bei dieser Konfiguration hat der
für das
zweite Wärmetauschfluid
zwischen jedem Paar von benachbarten Modulen vorgesehene Weg 48 die
Form eines durchgehenden gewellten Zwischenraums. Der Eintritt oder
der Austritt des zweiten Fluids zwischen den Module findet an jedem Ende
des U's jeweils
zwischen den Zonen 21ac und 21cg der Kanäle 25 zu
beiden Seiten der dreieckigen Teile 46 und, dank der Versetzung
um einen halben Schritt, ohne Querschnittsverengung statt. 10 zeigt
in einem Schnitt nach der Linie III-III von 2 den Stapel
von zwei Modulen in der Zone der Verteilungskammern 26 und
des Anfangs von einigen Kanälen 25.
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Nachdem
der Stapel von Modulen gebildet ist, wird dieser in einen Mantel 49 (11 und 12)
eingesetzt, dessen Längsrichtung
der der Module 1 entspricht. Die Umfangswand 52 des
Mantels 49 besitzt ein rechteckiges Innenprofil, das so eng
wie möglich
dem Außenquerprofil
des Stapels von Modulen 1 entspricht, und zwar unter Berücksichtigung
der Herstellungstoleranzen. Der Mantel 49 besitzt ferner
längs einer
der Mittellinien seines rechteckigen Profils eine Mittelwand 53,
die dazu bestimmt ist, sich so eng wie möglich in den Einschnitt 36 der
Module 1 einzufügen.
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Am
hinteren Ende des Mantels 49, das dem hinteren Ende 9 der
Module entspricht, ist der Mantel 49 durch ein Gehäuse 54 geschlossen,
das Abschrägungen 56 aufweist,
die dazu bestimmt sind, im Wesentlichen mit den Abschrägungen 3 der
Module in Kontakt zu kommen. Um das Bündeln in den Mantel einzusetzen,
steckt man das Bündel
vom hinteren Teil des Mantels her ein, bis der Boden des Ausschnitts 36 der
Module an der hinteren Kante der Mittelwand 53 des Mantels
anstößt, und
dann schließt man
den Mantel 49 mit Hilfe des Gehäuses 54.
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Im
Betrieb (11) werden das hintere Ende 9 der
Module 9 und das Gehäuse 54 des
Mantels oben angeordnet.
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Am
Scheitel der Umfangswand 52 sind zwei entgegengesetzte
Schienen 57 (vgl. auch 13) durch
Verschweißung
befestigt, die in das Innere des Mantels vorstehen und in die Einschnitte 37 der
Module eingesetzt sind. Das Bündel
ist auf diese Weise durch Auflegen der Schultern 58, die
den oberen Rand der Einschnitte 37 bilden, auf der Oberseite
der Schienen 57 aufgehängt.
Die Schienen 57 ragen ferner aus dem Mantel 49 heraus,
um auf Konsolen 59 aufzuliegen, die an der Innenseite einer
zylindrischen Hülle 61 befestigt
sind, die das Bündel,
den Mantel 49 und die Anschlussmittel des Bündels einschließt, die
nun beschrieben werden.
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Wenn
das hintere Ende 9 der Module oben angeordnet ist, sind
ihre Köpfe 19 und
mit ihnen die noch zu beschreibenden Anschlussmittel im unteren Ende
der Hülle 61 zusammengefasst.
Bei dem ersten Wärmetauschfluid,
das dazu bestimmt ist, im Inneren der Module zu fließen, umfassen
die Anschlussmittel zwei Anschlusskästen 62 (12)
von allgemein halbzylindrischer Form. Jeder Kasten 62 ist über seinen
offenen rechteckigen Umfang mit dem Umfang jeweils einer der Platten 41 dicht
verschweißt,
um alle Anschlussöffnungen 38,
die auf einer gemeinsamen Seite von der Achse A gelegen sind, mit
einer Anschlussleitung 64 für den Austritt des ersten Fluids
zu verbinden. Jede Leitung 63, 64 mündet in
den jeweiligen Anschlusskasten 62 und gelangt über eine
dichte Durchführung 66 der
Hülle 61 nach
außen (11),
um einen Teil eines ersten äußeren Kreises für das erste
Wärmetauschfluid
zu bilden.
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Jeder
Anschlusskasten 62 hat eine allgemein halbzylindrische
Form, bezüglich
der die entsprechende Platte 41 sich im Wesentlichen in
einer axialen Ebene erstreckt.
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Ein äußerer Anschlusskasten 67,
der größer als
die Kästen 62 ist,
ist so angeordnet, dass er einen der Kästen 62 einschließt. Der
Kasten 67 ist am oberen Rand einer der beiden Längsabteile
befestigt, die in dem Mantel 49 durch die Mittelwand 53 und
eine der Hälften
des rechteckigen Profils der Umfangswand 52 abgegrenzt
werden. Der Kasten 67 verbindet dieses Abteil dicht mit
einer Anschlussleitung 68, die in den Kasten 67 für den Zutritt
des zweiten Fluids in dieses Abteil des Mantels mündet, indem
es zu beiden Seiten des Anschlusskastens 62 passiert, der von
dem Kasten 67 umgeben ist. Die Leitung 68 erstreckt
sich über
eine dichte Durchführung 69 durch die
Hülle 61 nach
außen
und bildet auf diese Weise einen Teil eines zweiten äußeren Kreises
für das zweite
Wärmetauschfluid.
Das andere Abteil, das in dem Mantel 49 durch die Wand 43 abgegrenzt
ist, ist in der Hülle 61 frei
offen, die als Rückleitungskollektor für das zweite
Fluid dient. Die Hülle 61 ist
zu diesem Zweck über
einen Anschluss 71, der auch Teil des zweiten äußeren Kreises
bildet, mit dem äußeren verbunden.
Jede Anschlussleitung 63, 64, 68 ist
mit einem Ausdehnungsausgleicher 72 verbunden, um die Maßänderungen
zwischen dem Kopf 19 des Bündels und der entsprechenden
dichten Durchführung 66 bzw. 69 der
Hülle zu
absorbieren. Die Anschlussleitung 64 durchquert dicht den
Anschlusskasten 67, wobei ein Ausdehnungsausgleicher 73 zwischen dem
Anschlusskasten 67 und einer um die Leitung 64 herum
befestigten dichten Schelle 74 dazwischengesetzt ist. Alle
Ausdehnungsausgleicher sind so montiert, dass sie die Maßänderungen
in der Längsrichtung
der Module kompensieren. Die beiden Enden der U-förmigen Anordnung
der Module sind für
die Längsbewegungen
mechanisch voneinander unabhängig
ausgeführt,
da im Betrieb das heiße
Ende, an dem das zum Abgeben der Kalorien bestimmte Fluid eintritt
und aus dem das Fluid, das die Kalorien aufgenommen hat, austritt,
sich viel mehr ausdehnen muss, als das kalte Ende.
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Im
Betrieb tritt das erste Wärmetauschfluid
in eine der Verteilungskammern 26 jedes Moduls über einen
der Anschlusskästen 62 ein,
durchfließt
die fluidisch parallel angeordneten U-förmigen Kanäle, sammelt sich in der anderen
Verteilungskammer 26 und verlässt das Bündel über den anderen Anschlusskasten 62.
Die Anschlusskammern 62 haben eine dreieckige Form, so
dass ihr Querschnitt von der Anschlussöffnung 38 bis zu den
am zentralsten gelegenen Kanälen
abnimmt. Dies hat zur Wirkung, dass das Fluid in etwa gleichmäßig zwischen
den Kanälen 25 verteilt
wird und dass die Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids längs
eines Moduls von einer Anschlussöffnung
zur anderen in etwa überall
dieselbe ist. Das zweite Wärmetauschfluid
tritt in eine der Abteile des Mantels ein, indem es über den
Anschlusskasten 67 zu beiden Seiten des entsprechenden
Anschlusskastens 62 fließt, und verteilt sich in dem
gesamten Zwischenraum zwischen den benachbarten Modulen, und zwar
dank der Kontinuität
dieses Zwischenraums 48 (8 und 9).
Das zweite Wärmetauschfluid
muss um das hintere Ende der Wand 53 herum fließen und
muss infolgedessen die ganze abgewinkelte Länge der Kanäle der Module bezüglich des
ersten Fluids im Gegenstrom durchfließen. Die Keile 44 (7)
verhindern, dass das zweite Wärmetauschfluid
bevorzugt den thermisch wenig wirksamen Weg wählt, der sich zwischen den
flachen Zonen 33a, 33d, 33g der benachbarten
Module erstreckt. Diese Wirkung der Bremsung der Strömung längs der
flachen Zonen kann noch durch verschiedene Schikanen bildende Elemente
erhöht
werden, wie z.B. sinusoidförmige
Federn 76, die mit einer gewissen Belastung zwischen die
flachen Zonen 33a, 33d und 33g der Module
(7) eingesetzt sind, oder Kämme 77 (14),
die an den den Seitenrändern
der Module benachbarten Innenseiten des Mantels befestigt sind.
Solche Kämme
umfassen vorteilhafterweise ein eine Befestigungsplatte bildendes Blech,
in dem durch Aus schneiden und Tiefziehen Vorsprünge 79 bildende Bügel 78 gebildet
werden. Zwischen den Vorsprüngen 79 gebildete
Schlitze 81 nehmen die ebenen äußeren 33a oder inneren 33g Teile
der Module auf und führen
diese. Diese Federn 76 und Kämme 77 dienen gleichzeitig
dazu, die Module gegenüber
Bewegungen quer zu ihrer eigenen Ebene zu blockieren.
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Das
in den 15 bis 19 dargestellte Beispiel
wird nur hinsichtlich seiner Unterschiede zu dem vorhergehenden
beschrieben. Bei dieser Ausführungsform
sind die Module alle identisch und in dem Stapel sind die Scheitel 47 der
Wellen der Außenseiten
der benachbarten Module in gegenseitigem Kontakt oder fast in Kontakt.
Der Weg für
das zweite Wärmetauschfluid
wird nun ebenfalls durch Kanäle
gebildet, die fast vollständig
voneinander getrennt sind. Damit das zweite Wärmetauschfluid diese Kanäle 48 speisen
kann, geht man bei dem Hydroforming so vor, dass ein Bereich 82 (16)
der Kanäle,
der der Verteilungskammer 26 zu beiden Seiten von dieser
benachbart ist, eine geringere Dicke besitzt, und zwar beispielsweise
gleich der Dicke e der Verteilungskammer 26. Hierzu genügt es, dass
die Erhebung 29 der Matrizen 31 und 32 eine
entsprechende größere Ausdehnung
hat als in der vorhergehenden Ausführungsform. Man erhält in diesem
Bereich die in 18 dargestellten abgeflachten
Kanäle 83.
Auf diese Weise sind die Durchgänge 48 in dem
Bereich 82 miteinander durch Verbindungen 84 (19)
verbunden und bilden mit diesen eine Verteilungskammer für das zweite
Wärmetauschfluid.
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Bei
dem in den 20 bis 22 dargestellten
Beispiel, das nur hinsichtlich seiner Unterschiede zu dem der 1 bis 14 beschrieben
wird, werden Module ohne Verteilungskammer gebildet, indem der Rohling 1 von 1 einfach
längs der
Linie 17 abgeschnitten wird. Der gesamte Bereich der Gewölbe 4 hat
vor seiner Entfernung nur zum Hydroforming gedient. Die Anschlussöffnung des
Moduls an jedem Ende der U-Anordnung wird also von den offenen Enden
der Längskanäle gebildet.
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Man
baut die Module zusammen, indem man zwischen ihren Anschlussöffnungen
Formleisten 86 anschweißt, die zusammen einen Boden
bilden, an dem der Anschlusskasten 62 angeschweißt wird. Dieser
hat eine größere Abmessung
als in 12 und schließt das entsprechende
Abteil des Mantels 49 vollständig. Die Anschlusskästen 87 für das zweite
Wärmetauschfluid
sind so befestigt, dass sie einen rechteckigen Ausschnitt 88 schließen, der
am oberen Ende des Mantels 49 in jeder der beiden zur Wand 53 parallelen
Wände des
Mantels gebildet ist. Die Enden 89 der Leisten 86 bilden
mit den Rändern
der zwischen sie eingesetzten Module eine kontinuierliche Fläche, an
der ein entsprechender Rand 91 des Anschlusskastens 87 dicht
angeschweißt
werden kann. In 22 sind zwei Anschlusskästen 87 dargestellt; einer
von ihnen kann jedoch weggelassen werden, wenn man die Hülle 61 als
Kollektor verwendet, wie unter Bezugnahme auf 12 beschrieben
wurde.
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23 zeigt
eine Abwandlung der Leisten 86 mit einer Schweißlippe 93 längs des
Randes jedes benachbarten Blechs 2. Die Leisten 86 müssen ferner,
wie nicht dargestellt ist, an jedem Ende eine Querlippe für die dichte
Verschweißung
des Randes des Anschlusskastens 62 besitzen.
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24 zeigt
eine Ausführungsform
mit gekreuzten Strömen,
bei der das Modulbündel
in einem Mantel 95 montiert ist, der auf der ganzen Fläche, die den äußeren Längsrändern 14 der
Module auf jeder Seite des Bündels
benachbart ist, offen ist. In diesem Fall gibt es keine Querwand,
die die beiden Schenkel des U's
trennt, und es ist auch nicht erforderlich, den Einschnitt 36 zwischen
den beiden Schenkeln des U's
zu bilden. Man erhält
jedoch dank der Erfindung selbst bei dieser Version gewisse Vorteile
des Gegenstroms, wenn die Strömungsrichtung 94 des zweiten
Fluids so beschaffen ist, dass dieses zuerst zwischen den bezüglich der
Strömungsrichtung
des ersten Fluids stromabwärts
gelegenen Schenkeln des U's
fließt,
wie dargestellt ist. Diese Ausführungsform
erfordert, dass der zwischen den Modulen für den Weg des zweiten Fluids
vorbehaltene Zwischenraum kontinuierlich ist, beispielsweise wie
in 9 dargestellt ist.
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Die
Ausführungsform
von 25 wird nur hinsichtlich ihrer Unterschiede zu
der der 20 bis 22 beschrieben.
In einem gewissen Bereich 97, der ihren eine Anschlussöffnung bildenden
offenen Enden benachbart ist, hat man den Modulen bei ihrem Hydroforming
eine reduzierte Dicke verliehen, so dass in dieser Zone eine Verteilungskammer 96 für das zweite
Wärmetauschfluid
gebildet wird. Die Module sind alle identisch und die Wellen der
benachbarten Module sind mit ihren Scheiteln in Kontakt, mit Ausnahme
des Bereichs 97 von reduzierter Dicke. Das Profil der Leisten 86 ist
in entsprechender Weise angepasst.
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Die
Erfindung ist natürlich
nicht auf die beschriebenen und dargestellten Beispiele beschränkt.
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Der
Wärmetauscher
kann insbesondere dafür
ausgelegt sind, Wärme
zwischen mehr als zwei Fluiden zu tauschen. Die Zone der Krümmung des
U kann auf andere Weise ausgebildet sein. Es ist nicht erforderlich,
dass in dem mittleren Bereich der Kanalgruppe eine ebene Zone vorgesehen
ist.
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Die
Ausführungsform
der 1 bis 14 betrifft insbesondere den
Fall, in dem das erste Wärmetauschfluid
im Wesentlichen flüssig
ist, während das
zweite Wärmetauschfluid
zumindest teilweise gasförmig
ist und infolgedessen größere Durchgangsquerschnitte
erfordert, wobei dies jedoch nicht notwendig ist.
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Die
Erfindung ist auf Wärmetauscher
anwendbar, bei denen die beiden Wärmetauschfluide auf ihren jeweiligen
Wegen in derselben Richtung fließen.
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Bei
der Ausführung
der 20 bis 23 und 25 dient
der Kopfaufbau der Module vor dem Schnitt, der dazu bestimmt ist,
die beiden Anschlussöffnungen
jedes Moduls erscheinen zu lassen, nur zur Durchführung des
Hydroforming. Er hat keine hydrodynamische Funktion, und seine Anforderungen
an Temperatur- und Druckfestigkeit können geringer sein. Der Kopfaufbau
kann deshalb vereinfacht sein, und zwar insbesondere um seine Herstellung
zu erleichtern und Blech einzusparen.
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Man
kann den Kanälen
ein und desselben Moduls von einem Kanal zum anderen verschiedene Längen geben.
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Bei
den dargestellten Ausführungsformen münden die
Kanäle 25 über die
geradlinigen Seiten der Verteilungskammern 26 aus. Diese
Seiten können
jedoch konkav oder konvex gekrümmt
sein, und zwar beispielsweise, jedoch nicht begrenzend, in Kreissegmentform.