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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf die Metallrippen, die in Wärmeaustauschern verwendet,
hartgelötet
oder mechanisch zusammengebaut werden, um indirekte Austauschoberflächen zu
bilden, die dazu bestimmt sind, die Austauschoberflächen zwischen
den Röhren,
in welchen ein erstes warmes oder kaltes Fluid zirkuliert, und einem
zweiten Fluid, zum Beispiel Luft, das zwischen diesen Röhren zirkuliert,
zu vergrößern.
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Diese Rippen werden im Allgemeinen
in Form von Platten hergestellt, die übereinander gestapelt werden
(mechanisch zusammengebauter Wärmeaustauscher),
und in diesem Fall werden sie von Röhren durchquert oder in etwa
in Akkordeonfalten gefaltet (hartgelöteter Wärmeaustauscher), und in diesem
Fall werden sie zwischen die Röhren
eingefügt.
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Bestimmte bekannte Rippen umfassen
einen mittleren Teil, der mit mindestens einer Reihe stationärer Lamellen
versehen ist, die in einem konstanten Winkel geneigt sind, mit ausgewählter Form
und die voneinander durch Öffnungen
mit ausgewählten
Maßen
beabstandet sind, die das Passieren des Fluids zwischen den Lamellen
erlauben. Solche Rippen, „Jalousien"-Rippen
genannt, sind zum Beispiel im Offenlegungstext US-5 289 874 beschrieben.
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Das Anbringen der Jalousien auf den
indirekten Austauschoberflächen
gestattet zwar das Steigern des Wärmeaustausches, es steigert
jedoch gleichzeitig die Druckverluste, die die Leistung des Wärmeaustauschers
verringern. Diese Wirkung ist außerdem umso größer als
die Anzahl der übereinanderliegenden
Rippen groß ist.
Sie kann noch verstärkt
werden, wenn die Anlage mehrere in Reihe geschaltete Wärmeaustauscher
umfasst.
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Der Fachmann weiß außerdem, dass die Jalousien
mit Lamellen mit konstanter Neigung umso mehr zu hohen Druckverlusten
neigen als ihre Neigung groß ist,
was im Allgemeinen bei den bekannten Wärmeaustauschern der Fall ist,
bei welchen die Rippen eine Neigung von etwa 35° aufweisen. Solche Winkel verursachen
das Lösen
der Grenzschicht an den Stellen, an welchen das Fluid (zum Beispiel
Luft) zum Richtungswechsel ansetzt und, in weiterer Folge, entstehen
nahe an den Wänden
Zonen mit sehr geringen Geschwindigkeiten, „Luftrezirkulationszonen"
und „Totwasserzonen"
genannt, die aus thermischer Sicht nachteilig sind, weil dort die
Konvektion nicht mehr normal erfolgen kann.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es
daher, eine Metallrippe zu liefern, die nicht alle oder einen Teil
der Nachteile der Rippen des allgemeinen Stands der Technik aufweist.
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US-A-5 035 052 beschreibt eine Rippe
nach der Präambel
des Anspruchs 1. Die Erfindung schlägt eine Rippe nach Anspruch
1 vor.
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Die Neigung der Lamellen einer Gruppe
wird umso größer als
die Ordnungszahl der Gruppe höher wird.
So präsentieren
die Lamellen einer ersten Gruppe eine erste Neigung, deren Wert
geringer ist als der einer zweiten Gruppe, der eventuell selbst kleiner
ist als der einer dritten Gruppe.
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Insofern als die Rippen Lamellen
mit mindestens zwei verschiedenen Neigungen aufweisen, werden die
Druckverluste beachtlich verringert.
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Optionale Merkmale der Erfindung
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Vorzugsweise gehören benachbarte Lamellen mit
jeweils verschiedenen Neigungen zu zwei Gruppen Lamellen, deren
Ordnungszahlen aufeinander folgen oder sich vorausgehen. Auf eine
Lamelle der ersten Gruppe folgt zum Beispiel eine Lamelle der zweiten
Gruppe, deren Neigung größer ist.
Die Richtungsänderungen
des Fluids variieren damit allmählich
und daher sachter, was es erlaubt, die Ablösungen der Grenzschicht einzuschränken und
es so einer größeren indirekten
Austauschfläche
erlaubt, zu arbeiten.
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Außerdem umfassen bestimmte Rippen
des allgemeinen Stands der Technik stromaufwärts von der Lamelle des ersten
Rangs eine stromaufwärts
liegende stationäre
Hilfslamelle, die von der Lamelle des ersten Rangs durch eine Öffnung mit
ausgewählter
Form beabstandet ist. Diese Hilfslamelle ist dazu bestimmt, das
Fluid am Anfang der Reihe zu kanalisieren. Nun weist diese stromaufwärts liegende
Hilfslamelle im Allgemeinen eine Länge auf, die in etwa gleich
der Hälfte
der Länge
der Lamellen der Reihe ist, was bewirkt, dass sie das Fluid nicht
ausreichend ausrichtet.
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Nach Anspruch 3 befindet sich das
freie Ende der stromaufwärts
liegenden Hilfslamelle auf einer niedrigeren Ebene als die jeweiligen
Ebenen der Lamellen der Reihe, was es erlaubt, das Fluid effizient
auszurichten. Das Fluid ist dann sofort richtig orientiert und,
einerseits, werden die Vorderkanten der Lamellen der Reihe besser
angelaufen und, andererseits, wird die Wahrscheinlichkeit des lösens der
Grenzschicht merklich verringert.
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Bestimmte Rippen des allgemeinen
Stands der Technik umfassen auch stromabwärts von der Lamelle des letzten
Rangs eine stromabwärts
liegende stationäre
Hilfslamelle, die von der Lamelle des letzten Rangs durch eine Öffnung in
ausgewählter Form
beabstandet ist. Diese stromabwärts
liegende Hilfslamelle ist wie die stromaufwärts liegende Hilfslamelle dazu
bestimmt, das Fluid am Ende der Reihe zu kanalisieren. Nun weist
diese stromabwärts
liegende Hilfslamelle im Allgemeinen eine Länge auf, die in etwa gleich
der Hälfte
der Länge
der Lamellen der Reihe ist, was bewirkt, dass sie das Fluid nicht ausreichend
ausrichtet.
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Daher ist das Merkmal des Anspruchs
4 vorgesehen.
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Wenn die Rippe mindestens zwei Reihen aufeinanderfolgende
Lamellen umfasst (die jeweils stromaufwärts und stromabwärts liegende
Reihe genannt werden), können
diese untereinander über
die stromabwärts
liegende Hilfslamelle der einen und durch die stromaufwärts liegende
Hilfslamelle der anderen verbunden werden. Das trägt zum Lastverlust bei
und daher zur Verbesserung der Leistung des Wärmeaustauschers.
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Besonders vorteilhaft weisen die
Hilfslamellen eine Neigung auf, die kleiner oder gleich der der Lamellen
der ersten Gruppe der Reihe ist. Noch besser ist diese Neigung um
einen Wert zwischen 1° und etwa
20° kleiner
als der der Lamellen der ersten Gruppe.
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Bei einer ersten Ausführungsform
besitzen die Reihen benachbarter Lamellen die gleichen Gruppen von
Lamellen.
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In diesem Fall ist es vorzuziehen,
dass die Gruppen mit gleicher Ordnungszahl zweier Reihen benachbarter
Lamellen einander entgegengesetzte Ausrichtungen aufweisen. Das
gestattet es, das Fluid in Schichten zu unterteilen, die jeweils
zwischen zwei Lamellen der stromaufwärts liegenden Reihe eindringen
und zwischen den zwei entsprechenden Lamellen der stromabwärts liegenden
Reihe wieder austreten, die zu einer mittleren Symmetrieebene symmetrisch
angeordnet sind.
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Bei einer zweiten Ausführungsform
besitzen die Reihen benachbarter Lamellen unterschiedliche Gruppen
von Lamellen.
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Nach der Erfindung liegen die Neigungen
der Lamellen in einem Bereich zwischen 15° und 35°. Die starken Neigungen (typischerweise über 30°) weisen ab
sofort keine Nachteile mehr auf, denn ihr schädlicher Einfluss auf das Fluid
wird mindestens durch die Tatsache ausgeglichen, dass Lamellen mit
unterschiedlichen Neigungen verwendet werden.
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Außerdem ist es vorzuziehen,
dass die Neigung der Lamellen der ersten Gruppe um einen Wert zwischen
etwa 1° und
etwa 15° kleiner
ist als die der Lamellen der Gruppe, deren Ordnungszahl die höchste ist.
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Die Erfindung gilt insbesondere für Rippen, die
aus Aluminium hergestellt sind oder aus einer Aluminiumlegierung
oder aber aus Kupfer.
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In der folgenden Beschreibung, die
als Beispiel dient, wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug
genommen, von welchen:
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1 einen
Teil eines hartgelöteten
Wärmeaustauschers
mit welligen Rippen darstellt,
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2 einen
Teil eines mechanisch zusammengebauten Wärmeaustauschers darstellt,
der mit ebenen Rippen ausgestattet ist, und
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3 in
einer Querschnittansicht einen Teil einer Rippe nach der Erfindung
in einer bevorzugten Ausführungsform
darstellt.
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Das Hauptziel eines Wärmeaustauschers besteht
darin, einen Kalorienaustausch zwischen einem ersten Fluid, das
im Inneren gewisser dieser Elemente zirkuliert, und einem zweiten
Fluid zu gestatten, das außerhalb
dieser Elemente zirkuliert. Dazu umfasst der Wärmeaustauscher im Allgemeinen
Röhren 1,
deren Enden in Sammelbehälter
münden,
und in welchen das erste Fluid zirkuliert, zum Beispiel ein Kühlmittel,
und die vom zweiten Fluid umspült
werden, zum Beispiel von Luft.
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Um den Kalorienaustausch (Wärmeaustausch)
zu verbessern, vergrößert der
Fachmann die Austauschoberfläche
(hier die Wände
der Röhren), indem
er dort indirekte Austauschflächen
hinzufügt, die
Rippen 2 genannt werden.
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Diese Rippen sind metallisch und
werden vorzugsweise aus Aluminium oder Aluminiumlegierung hergestellt.
Sie können
auch aus Kupfer gefertigt werden.
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Wie in den 1 und 2 dargestellt,
haben die Rippen je nach Wärmeaustauscher
ziemlich unterschiedliche Formen.
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Bei den hartgelöteten Wärmeaustauschern (siehe 1) werden die Rippen ausgehend
von einer in etwa wie ein Akkordeon gefalteten Platte hergestellt.
Man nennt sie daher Zwischenrippen. Eine Zwischenrippe umfasst daher
eine Vielzahl von Rippen, die in etwa parallel zueinander, im rechten
Winkel zur Längsachse
der Röhren 1 und
zwischen zwei benachbarten Röhren 1 oder
zwischen einer Endbacke 3 und einer Röhre angeordnet werden.
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Bei den mechanisch zusammengebauten Wärmeaustauschern
(siehe 2), sind die
Rippen ebene Platten, in welchen Bohrungen 4 angeordnet sind,
die das Passieren der Röhren 1 erlauben.
Man spricht hier von Rippenplatten. Diese sind übereinander in einer Ebene,
die im rechten Winkel zur Längsachse
der Röhren 1 steht,
in etwa parallel gestapelt.
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Ungeachtet der Ausführungsform
des Wärmeaustauschers
wird die Rippe, die er umfasst, vorzugsweise in Form einer oder
mehrerer Jalousien hergestellt. Jede Jalousie wird aus einem Mittelteil 12 der
Rippe 1 hergestellt und besteht aus einer Reihe 6 von
Lamellen 7, die im Allgemeinen identische ausgewählte Formen
aufweisen und voneinander durch Öffnungen 8 getrennt sind,
die ebenfalls identische ausgewählte
Formen aufweisen.
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Zum Herstellen dieser Jalousien in
einer Rippe geht man von einer Metallplatte aus, in der man parallele
Ausschnitte ausführt,
die um eine Länge L beabstandet
sind. Indem man die Metallzonen zwischen zwei Ausschnitten mit der
Breite L entsprechend ausbildet, stellt man dann die Lamellen 7 unter Bildung
der Öffnungen 8 her.
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Die Rippen des allgemeinen Stands
der Technik sind stationär
und weisen alle eine gleiche Neigung in Bezug auf eine Achse X-X
auf, die in der Ebene der Rippe und in etwa im rechten Winkel zur Fluchtung
der Lamellen 7 einer Reihe 6 liegt.
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Wie in der Einführung erklärt, hat die Antragstellerin
festgestellt, dass die Herstellung von Jalousien mit Lamellen mit
konstanter Neigung eine gewisse Anzahl von Nachteilen aufweist,
insbesondere was die Druckverluste betrifft. Daher weisen nach der Erfindung
die Lamellen 7 einer Reihe 6 mindestens zwei unterschiedliche
Neigungen Θ1 und Θ2 auf.
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Eine Reihe 6 von lamellen
umfasst daher mindestens zwei Gruppen identischer stationärer Lamellen,
wobei jede Gruppe ihre eigene Neigung hat. So umfasst im dargestellten
Beispiel der 3 die Reihe 6-1 eine
erste Gruppe zu vier Lamellen 7-1 mit der Neigung Θ1 und eine zweite Gruppe zu drei Lamellen 7-2 mit
der Neigung Θ2 .
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Natürlich könnte man drei Gruppen mit verschiedenen
Neigungen oder mehr als drei Gruppen vorsehen.
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Die Lamelle des ersten Rangs einer
Reihe (erste Lamelle ausgehend von links) sowie die Lamelle des
letzten Rangs (letzte Lamelle der Reihe ausgehend von links oder
erste Lamelle ausgehend von rechts) gehören zur ersten Gruppe.
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In dem in 3 dargestellten Beispiel beginnt die
Reihe zum Beispiel mit zwei Lamellen 7-1 der ersten Gruppe
und setzt sich dann durch drei Lamellen 7-2 der zweiten
Gruppe fort und endet schließlich
mit zwei Lamellen 7-1 der ersten Gruppe. Natürlich ist
es nicht zwingend, dass die Reihe von Lamellen eine Symmetrieebene
besitzt, wie das in dem in 3 dargestellten
Beispiel der Fall ist, in dem die Symmetrieebene in etwa in der
Mitte der zweiten Lamelle 7-2 der zweiten Gruppe liegt.
Ebenso könnte
sehr wohl in Betracht gezogen werden, in einer Reihe 6 nur
Lamellen 7-1 einer ersten Gruppe zu haben, auf die Lamellen 7-2 einer
zweiten Gruppe folgen und eventuell Lamellen (7-3) einer
dritten Gruppe.
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Durch Herstellen von Reihen 6-1 wird
das zweite Fluid, das zwischen den Rippen zirkuliert, in aufeinanderfolgende
Schichten unterteilt, deren jeweilige Richtungen sich je nach den
Neigungswinkeln der Lamellen zwischen welchen sie zirkulieren, unterscheiden.
Insofern als die Schichten, deren Richtung schwach geneigt ist,
den Schichten vorangehen, deren Richtung stärker geneigt ist, tendieren erstere
dazu, die zweiten (nachfolgenden) an die Wände zu drücken, und so zur beachtlichen
Steigerung des Wärmeaustauschs
der Rippen (indirekte Austauschflächen) beizutragen.
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Vorzugsweise werden stromaufwärts und stromabwärts einer
Reihe 6 von Lamellen 7 jeweils eine stromaufwärts liegende
Hilfslamelle 9 und eine stromabwärts liegende Hilfslamelle 10 mit
der gleichen Breite L wie die der Lamellen 7-i der Reihe vorgesehen.
Diese Hilfslamellen werden ebenfalls durch Ausschneiden des mittleren
Teils 12 der Rippe hergestellt und sind von der Lamelle,
die ihnen vorausgeht oder von den auf sie folgenden durch eine Öffnung 13 mit
ausgewählten
Maßen
beabstandet, die in der Tat in etwa gleich den Maßen einer
Hilfslamellesind. Das freie Ende 14 der Hilfslamellen befindet
sich auf einer niedrigeren Ebene als die jeweiligen Ebenen der Lamellen
7-i der Reihe, die sie einrahmen, was es erlaubt, das zweite Fluid
am Eingang und am Ausgang der Reihe effizient auszurichten, und
daher das Strömen
dieses zweiten Fluids besser zu führen. Die Vorderkanten jeder
Lamelle und insbesondere der ersten Lamelle der Reihe 7-1 werden
besser angelaufen, was die Wahrscheinlichkeit eines Lösens der Grenzschichten,
die an der Wand, die eine Rippe bildet, entstehen, umso mehr verringert.
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Immer noch vorzugsweise weisen die
stromaufwärts
liegende Hilfslamelle 9 und die stromabwärts liegende
Hilfslamelle 10 eine Neigung Θ0 auf, die
kleiner oder gleich der Neigung Θ1 der
Lamellen 7-1 der ersten Gruppe ist. Noch besser ist die
Neigung Θ0 der Hilfslamellen um etwa 1° bis etwa
20° kleiner
als die Neigung Θ1 .
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Eine komplette Jalousie umfasst daher
eine Reihe 6 von Lamellen 7, die von zwei Hilfslamellen 9 und 10 umrahmt
werden. Der Neigungswinkel Θi steigt vorzugsweise ausgehend von
der stromaufwärts
liegenden Hilfslamelle 9 mindestens bis zur Mitte der Reihe
der Lamellen und sinkt dann wieder vorzugsweise in etwa symmetrisch
bis zur stromabwärts
liegenden Hilfslamelle 10. Das erlaubt es, die Richtungswechsel,
die dem Fluid auferlegt werden, noch mehr zu dämpfen, indem die Leistung des
Wärmeaustauschers
noch verbessert wird.
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Die Antragstellerin hat dabei festgestellt, dass
dank der Rippen nach der Erfindung eine Verbesserung der Leistungen
des Wärmeaustauschers erzielt
werden kann.
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Außerdem, und wie es in 3 dargestellt ist, kann
eine Rippe zwei Reihen 6-1 und 6-2 Lamellen 7 oder
mehr, zum Beispiel drei oder vier, umfassen.
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Um das Strömen zwischen zwei übereinander
liegenden Rippen 1-1 und 1-2 zu begünstigen, werden
vorzugsweise auf jeder Rippe zwei Reihen 6-1 und 6-2 identischer
Lamellen vorgesehen, die jedoch in entgegengesetzter Richtung ausgerichtet sind.
Eine Schicht des zweiten Fluids, das zum Beispiel zwischen zwei
Rippen 7-1 der ersten Gruppe der ersten Reihe 6-1 eindringt,
tendiert so ganz natürlich
dazu, zwischen den zwei Lamellen 7-1 der zweiten Reihe 6-2 mit
entgegengesetzter Neigung Θ1 , die in Bezug auf die Achse Y-Y symmetrisch
angeordnet sind, wieder auszutreten. Ebenso tendiert eine Schicht
des zweiten Fluids, die zwischen zwei Lamellen 7-2 der
zweiten Gruppe der ersten Reihe 6-1 eintritt, natürlich dazu,
zwischen zwei Lamellen 7-2 der zweiten Reihe 6-2 mit
entgegengesetzter Neigung Θ2 , die in Bezug auf die Achse Y-Y symmetrisch
angeordnet sind, wieder auszutreten.
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Diese Zirkulation ist in 3 anhand der Pfeile F1 und F2 teilweise
gekennzeichnet.
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Die Entfernung, die das Ende der
ersten Reihe 6-1 vom Ende der zweiten Reihe 6-2 trennt,
wird im Allgemeinen so ausgewählt,
dass die direkte Zirkulation (Pfeil F3) des zweiten Fluids
zwischen den Paaren gestattet wird, die einerseits von der ersten Lamelle 7-1 der
ersten Reihe 6-1 und der stromabwärts liegenden Hilfslamelle 10 eben
dieser Reihe 6-1 und andererseits von der stromaufwärts liegenden
Hilfslamelle 9 der zweiten Reihe 6-2 und der ersten
Lamelle 7-1 dieser zweiten Reihe 6-2 gebildet werden.
Dazu werden die stromabwärts
liegende Hilfslamelle 10 der ersten Reihe 6-1 und
die stromaufwärts
liegende Hilfslamelle 9 der zweiten Reihe 6-2 verbunden,
und zwar direkt miteinander und über ein
Flachteil 11, wie in 3 dargestellt.
Natürlich
ist dieses Flachteil nicht unerlässlich.
Es hängt
insbesondere von der Neigungsamplitude der Hilfslamellen ab.
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Nach der Antragstellerin sollte der
Neigungsunterschied zwischen zwei benachbarten Lamellen, die zu
zwei Gruppen mit aufeinanderfolgender Reihenfolgenummer gehören (zum
Beispiel zwischen einer ersten und einer zweiten Gruppe), zwischen
etwa 1° und
15° liegen,
so dass die Richtungsänderungen der
Nachbarschichten des zweiten Fluids allmählich verlaufen.
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In dem in 3 dargestellten Beispiel betragen die
drei ausgewählten
Neigungswinkel daher jeweils 20° für Θ0 , 24° für 01 und 28° für Θ2 . Natürlich können jedoch je nach den ausgewählten Konfigurationen
auch andere Neigungswinkel in Betracht gezogen werden.
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In dem in 3 dargestellten Beispiel wurde eine Rippe
mit zwei Reihen identischer Jalousien dargestellt, deren Richtung
jedoch in Bezug auf die Achse Y-Y entgegengesetzt ist. Außerdem sind
die verschiedenen Rippen in etwa parallel zueinander und identisch übereinander
gelegt. Es kann jedoch in Betracht gezogen werden, unsymmetrische
Rippen herzustellen, das heißt
Rippen, die nicht identische Reihen von Lamellen aufweisen. Ebenso
können
die übereinanderliegenden
Rippen untereinander unterschiedlich sein, das heißt eine
oder mehrere Reihen Rippen aufweisen, deren jeweilige Anzahl an
Lamellen und Neigungen von einer Rippe zur anderen nicht gleich
sind.
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Die Erfindung gilt ebenso für Zwischenrippen der
in 1 dargestellten Art
sowie auch für
Rippenplatten des in 2 dargestellten
Typs.