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Wärmeaustauscher der Plattenbauart Die Erfindung bezieht sich auf
Wärmeaustauscher der Plattenbauart für den Wärrieaustatisch zwischen gasförmigen
Strömungen allgemein. beispielsweise auf Wärmeaustauscher zur Ver%vendung in Gasturbinenanlagen,
\%-ie z. B. zum \@"irnieatistauscli zwischen den Abgasen einer Gasturbine und der
ihren Verbrennungskammern zugeführten Druckluft.
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1)i(- l:rtin<iuiig 1>ez@@eckt. einen Wärmeaustauscher zti schaffen,
der einen hohen thermischen Wirkungsgrad besitzt, d. 1i. bei welchem das Verhältnis
der von der einen Strömung auf die andere übertragenen Wärme zu der theoretisch
übertragbaren Wärme hoch ist.
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Weiterhin bezweckt die Erfindung die Ausbildung eines Wärmeaustauschers
mit einem hohen mechanischen NVirkungsgrad, d. h. bei welchem der Druckabfall in
einem oder beiden Kanälen gering ist. Ferner bezweckt die Erfindung die Vermeidung
Von Beanspruchungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnung, geringen Raumbedarf
für eine bewegliche Anlage, insbesondere in den Abmessungen quer zu der Bewegungsrichtung,
und niedriges Gewicht.
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Gemäß der Erfindung umfaßt ein Wärmeaustauscher der Plattenbauart
gleiche Platten, die parallele Wellungen besitzen und abwechselnd umgekehrt aufeinandergelegt
angeordnet sind, so daB sie Doppelplatten bilden, die getrennte Längskanäle einschließen,
und wobei aufeinanderfolgende Doppelplatten räumlich so angeordnet sind, daß zwischen
ihnen durchlaufende Leitungsräume verbleiben, die an den beiden zur Längsrichtung
der Längskanäle senkrecht verlaufenden Rändern der.Platten abgedichtet und an den
beiden anderen Rändern der Platten an deren Mittelteil geschlossen, aber an den
Seiten dieser Ränder offengelassen sind.
Vorzugsweise haben diese
Platten Wellungen gleicher Breite und mit gleichem Abstand, ausgenommen die letzte
Wellung neben dem einen Längsrand der Platte, die eine abweichende Breite besitzt
und deren Mittellinie von diesem Rand in einem anderen Abstand angeordnet ist, als
die .Mittellinie der letzten Wellung neben dem anderen Längsrand der Platte von
diesem Rand entfernt ist. Diese Doppelplatten werden gebildet, indem abwechselnde
Platten um eine zu den Ebenen der Platten parallele oder zu den Wellungen quer liegende
Achse umgekehrt und abwechselnde Doppelplatten um eine zu den Wellungen parallele
oder zu den Plattenebenen senkrechte Achse umgekehrt werden, wodurch die getrennten
geschlossenen Kanäle in aufeinanderfolgenden Doppelplatten relativ zueinander gestaffelt
werden.
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Diese Doppelplatten, die im Umriß zueinander passen, bilden einen
Satz mit gerade durchlaufenden Kanälen, die in jeder einzelnen Doppelplatte eingeschlossen
sind, wobei jedoch die durchlaufenden Leitungsräume zwischen benachbarten Doppelplatten
seitlich in der Nähe der Enden dieser Platten, um seitliche Eintritts- und Austrittsöffnungen
dieser Räume zu bilden, offengelassen und an den Endrändern zwischen benachbarten
Doppelplatten abgedichtet und seitlich in ihrem .Mittelteil an beiden Seiten des
Doppelplattensatzes durch flache Platten geschlossen sind. Diese Platten bilden
z. 13. einen Teil eines `den Doppelplattensatz enthaltenden Gehäuses, welches mit
den Längsrändern der Doppelplatten abschließt. Diese Eintritts- und Austrittsöffnungen
können, falls erwünscht, weiter gemacht werden als der Abstand zwischen den Mittelteilen
der Doppelplatten. Die seitlichen Üffnungen an jeder Seite des Doppelplattensatzes
neben ihrem einen Ende werden mit einer Eingangssammelleitung verbunden, und die
seitlichen Üffnungen an jeder Seite dieses Satzes neben dem anderen Ende der Doppelplatten
werden mit einer Ausgangssammelleitung verbunden, wobei die beiden Eingangssammelleitungen
und die beiden abgehenden Sammelleitungen vorzugsweise miteinander an einer Stirnseite
des Satzes in Verbindung stehen.
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Die geraden Durchgangskanäle werden im allgemeinen weniger Widerstand
bieten und folglich einen kleineren Druckabfall verursachen als die durchlaufenden
Leitungsräume.
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Vorzugsweise werden daher diese gerade durchgehenden Kanäle den heißen
Durehgangdes Wärmeaustauschers z. B. für die Abgase einer Gasturbine bilden, während
die durchlaufenden Leitungsräume den kalten Durchgang bilden, z. B. für die von
dem Kompressor zu der Verbrennungskammer einer Gasturbine geförderte Luft, so daß
der kleinere Druckabfall an der Abgasseite der Gasturbine auftritt, wo er den Gesamtwirkungsgrad
des Gasturbine-Kompressor-Aggregates weniger beeinträchtigt, als es auf der Hochdruckseite
der Fall wäre.
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Bei Wärmeaustauschern für manche Kraftanlagen, wie z. B. für Fahrzeuge,
ist die Bauhöhe enger. begrenzt als die Breite. In diesem Fall kann der Druckabfall
an der Seite der durchlaufenden Leitungsräume wesentlich vermindert werden, indem
man wenigstens zwei Plattensätze. Seite an Seite in einem gemeinsamen Gehäuse anordnet,
wobei seitliche Wände oder Stoßflächen die durchlaufenden Leitungsräume zwischen
den seitlichen Eingängen und Ausgängen verschließen, die mit einer gemeinsamen Eingangssammelleitung
bzNv. Ausgangssammelleitung verbunden sind.
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Alle ankommenden Sammelleitungen können miteinander in einem gemeinsamen
Eintrittsbereich in dem gemeinsamen Gehäuse und alle abgehenden Sammelleitungen
in einem gemeinsamen Ausgangsbereich verbunden werden. Eine einzelne Verbindung,
oder aus Symmetriegründen ein Paar von Verbindungen, zu den zugehörigen Bestandteilen,
wie der Kompressor und die Verbrennungskammer oder -kammern, wird dann für diesen
Durchgang des Wärmeaustauschers genügen, während die gerade durchgehenden Kanäle,
die den anderen Durchgang bilden, direkt in Parallelschaltung mit ihren zugehörigen
Bestandteilen, wie Gasturbinenauslaß und -abzug, verbunden werden. Baulich werden
die Plattensätze vorzugsweise von einem Rahmengerüst oder einem Plattenkörper mit
rechteckigen Abteilungen getragen, durch welche die Platten sich von dem Eingangsbereich
zu dem Ausgangsbereich des Wärmeaustauschers erstrecken.
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Für einen zweisätzigen Wärmeaustauscher kann dieser Plattenkörper
aus einem U-förmigen Kastenträger bestehen, der die Seiten und ein Ende des Plattenkörpers
bildet, wobei ein T-förmiger Kasten- . träger das mittlere und das andere Ende des
Plattenkörpers bildet und der U-förmige und der T-förmige Träger miteinander vorzugsweise
durch Schweißungen verbunden sind.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, welche die
eingangs erwähnten Zwecke in ausgeglichener Weise in sich vereinigen, an Hand der
Zeichnung.
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Fig. i ist eine abgebrochene Teilansicht von aufeinanderfolgenden
Plattenpaaren einer bevorzugten Ausführungsform; Fig. 2 ist ein entsprechender Grundriß,
teilweise in Draufsicht und teilweise im Schnitt nach den Linien A-A und B-B der
Fig. i ; Fig. 3 ist eine Seitenansicht zu Fig. i, teilweise im Schnitt nach der
Linie C-C und teilweise in Sicht in der Richtung der Pfeile D der Fig. i ; Fig.
4 ist eine Seitenansicht im Schnitt nach der Linie E-E der Fig. i ; Fig.5 ist eine
perspektivische Teilansicht von zwei aufeinanderfolgenden Plattenpaaren; Fig. 6
ist' eine perspektivische, teilweise ausgebrochene Gesamtansicht einer bevorzugten
Form des Wärmeaustauschers; Fig.7 ist ein perspektivisches Strömungsdiagramm eines
Wärmeaustauschers nach Fig.6; Fig.8 ist ein Grundriß im Schnitt nach der
Linie
VIII-VIII der Fig. io des die Platten tragenden Aufbaues; Fig. 9 ist eine Draufsicht
im Schnitt nach der Linie I\-I\ der Fig. 8; Fig. io ist eine Draufsicht im Schnitt
nach der Linie N-1 der Fig. 8; Fig. i i ist eine perspektivische Ansieht des Aufbaues
nach Fig.8 bis io.
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Nach Fig. i bis 5 ist jede Platte i in der Längsrichtung gewellt,
so daß parallele Rillen 2 mit trapezförmigeni Querschnitt entstehen, deren Breite
die Größe p hat (Fig. 2). Die dem einen Längsrand der Platte am nächsten gelegene
Rille ist halb so breit (p;'2), tiiid die Entfernung ihrer Mittellinie von diesem
Rand beträgt somit p/4.
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Zwei Platten, die gegeneinander um eine zu ihren eigenen Ebenen parallele
oder zu der Längsrichtung ihrer Rillen senkrechte Achse umgekehrt sind, bilden ein
Plattenpaar ia, das zwischen sich sechseckige Kanäle 3 von einheitlicher Größe einschließt,
ausgenommen der Kanal 3', der neben dem einen Längsrand liegt und die Größe
p/2 hat.
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Diese Doppelplatten sind vorzugsweise an den Berührungsstreifen 4
zwischen benachbarten Kanälen durch Widerstandsschweißung und an den K:inderü 5
durch I_ichtbogenschweißung verbunden.
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Indem man abwechselnde Doppelplatten um eine zu den Rillen parallele
oder zu der Ebene der Platten senkrechte Achse umkehrt, ergibt sich das in Fig.
2 gezeigte Huster, wonach die Kanäle 3 in benachbarten Paaren oder Doppelplatten
um die halbe Rillenbreite, d. h. um p/2, versetzt sind.
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Der Querschnitt der durchgehenden Räume 6 zwischen benachbarten Doppelplatten
hat seitliche Vorsprünge 7 zwischen benachbarten Kanälen, und diese Vorsprünge haben
selbst, da sie den trapezförmigen Rillen 2 entsprechen, Trapezform.
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Durch die Staffelung der Kanäle 3 sind diese Vorsprünge 7 ebenfalls
gestaffelt und so ausgebildet, daß sie mit ihren großen offenen Grundflächen dem
flachen Teil der benachbarten Platte in der Mitte jedes Kanals gegenüberliegen.
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Wenn die Kanäle 3 und die Leitungsräume 6, 7 von den beiden wärmeaustauschenden
Strömungen im Gegenstrom in dem mittleren Teil der Platten durchströmt werden, werden
die günstigsten Strömungs- und @-,'ärmeaustauschverhältnisse erreicht.
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An ihren Querrändern 8 (oberer Rand in F ig. i bis 4 und unterer Rand
in F ig. 5) sind die gegenüberliegenden Platten von benachbarten Doppelplatten miteinander
verschweißt, so daß die Leitungsräume 6, 7 dort abgeschlossen werden, während die
Kanäle 3, 3' offen bleiben (Fig. 3 und 4).
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Neben den abgedichteten Querrändern 8 sind die Leitungsräume 6 erweitert,
so daß sie Eingänge 6a neben dem oberen Rand und Ausgänge neben dem unteren Rand
bilden. Diese Erweiterungen werden erreicht, indem die Tiefe der Rillen 2 in dem
Bereich des Querschnitts A-A auf diejenige von flacheren Rillen 2a vermindert wird,
so daß sich in diesem Bereich etwas verkleinerte Kanalquerschnitte 3a ergeben. Benachbarte
Plattenpaare werden im Grundriß durch Zähne oder Kämme g in Abstand gehalten, die
in ihre Längsränder 5 in der Nähe ihrer Enden eingreifen. Die Zähne g werden gegebenenfalls
an die Doppelplatten angeschweißt (Fig. i und 2).
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Nach Fig. 6 sind zwei Doppelplattensätze der oben an Hand der Fig.
i bis 5 beschriebenen Art Seite an Seite in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
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Die gerade durchgehenden Kanäle 3 in den Doppelplatten, deren obere
Enden in Fig.6 sichtbar sind, bilden ein System von an beiden Enden offenen Kanälen,
wobei das untere Ende mit dem Ausströmkrümmer einer Gasturbine und das obere Ende
mit dem in freie Luft führenden Abzug verbunden werden kann.
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Die durchgehenden Leitungsräume 6, welche den Durchgang für die andere
wärmeaustauschende Strömung bilden, sind an der Oberseite und an dem Boden bei 8
geschlossen und seitlich offen, wobei das gemeinsame Gehäuse des Wärmeaustauschers
horizontal in einen oberen Eintrittsraum, der mit den seitlichen Eintrittsöffnungen
6a dieser Leitungsräume verbunden ist, und einen unteren Austrittsraum unterteilt
ist, welcher mit den seitlichen Austrittsöffnungen 6a in Verbindung steht.
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Die Strömung der beiden wärmeaustauschenden Mittel durch einen Wärmeaustauscher
der Bauart nach Fig.6 wird im folgenden an Hand des Diagramms der Fig. 7 erläutert.
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Zwei Plattensätze io und i i sind Seite an Seite in einem gemeinsamen
Gehäuse, das zur Vereinfachung in Fig. 7 nicht dargestellt ist, angeordnet, wobei
der Raum zwischen diesen Sätzen durch eine Platte 13 in einen oberen mittleren Sammelraum
12 und in einen unteren mittleren Sammelraum 1-4 unterteilt ist. Jeder Satz ist
in seinem Mittelteil oberhalb und unterhalb der horizontalen Platte 13 durch innere
vertikale Platten 15 und äußere vertikale Platten 16 abgedeckt.
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Die eine Gasströmung, z. B. bei Verwendung in einer Gasturbinenanlage
die Ausströmgase, tritt in die gerade durchgehenden Kanäle 3 von unten ein und verläßt
sie an der Oberseite gemäß den Pfeilen.
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Die andere Gasströmung, z. B. Druckluft für die Verbrennungskammern
einer Gasturbinenanlage, tritt in den Wärmeaustauscher in der oberen Mitte der Stirnseite
nach Pfeil 17 ein und wird dann in eine mittlere Strömung 12 in dem oberen mittleren
Sammelraum und in zwei nach außen gehende Ströme 18, ig unterteilt, welche zu den
(nicht dargestellten) seitlichen Sammelleitungen führen, die durch die Pfeile 20,
21 angegeben sind.
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Sowohl die mittlere Strömung 12 als auch die beiden seitlichen Ströme
20, 21 verteilen sich auf die Eingänge 611 der durchgehenden Leitungsräume zwischen
benachbarten Doppelplatten und werden senkrecht in diesen Leitungsräumen 6 umgeleitet,
d. h. im Gegenstrom zu den durch die Kanäle 3 strömenden Abgasen.
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An den unteren Plattenenden wird die Druckluft wieder nach innen bzw.
außen umgeleitet und
verläßt die Leitungsräume zwischen den Doppelplatten
durch die. Ausgänge 6b. Die einwärts gehenden Ströme sammeln sich in dem unteren
mittleren Sammelraum 14 und die nach außen gehenden Ströme in den unteren seitlichen
Sammelräumen 22. 23. welche sich mit der mittleren Strömung 14 an der Stirnseite
der beiden Sätze to, 11 (Pfeile 25, 26) in den beiden Strömen 27,28 vereinigen,
die an dem unteren Stirnende des Wärmeaustauschers abgehen.
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Nach Fig. 6 und Fig. 8 bis i i besteht das Gehäuse aus einer Stirnplatte
42 mit einer Eintrittsöffnung 17 in der Mitte der oberen Hälfte und zwei Austrittsöffnungen
27, 28 an beiden Seiten der unteren Hälfte, Seitenwänden 31 und gekrümmten Sammelleitungen
20, 21 und 22, 23,, die nach oben mit diesen Seitenwänden, mit der Stirnplatte und
gekrümmten Stirnleitungen 18, ig und 25, 26 entsprechend dem Strömungsdiagramm der
Fig. 7 in Verbindung stehen. Ferner sind eine Rückwand und Querleitungen an der
Rückseite des Gehäuses vorgesehen.
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Die Innenränder der gekrümmten Querleitungen und gekrümmten Sammelleitungen
sind durch rechteckige Rahmen an der Ober- und Unterseite verbunden, von denen der
Rahmen 44 an der Oberseite des Wärmeaustauschers teilweise in Fig.6 gezeigt ist.
Diese Rahmen sind zur Verbindung mit der Ausströmseite der Gasturbine bzw. mit dem
Abzug vorgesehen.
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Zwischen den beiden Plattensätzen ist eine obere mittlere Eingangssammelleitung
12 und eine untere mittlere Ausgangssammelleitung eingeschlossen, die in Fig. 6
nicht sichtbar ist, jedoch dem Pfeil 14 des Strömungsdiagramms nach Fig. 7 entspricht.
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Diese mittleren Sammelleitungen sind oben und unten durch einen druckfesten,
vorzugsweise gewellten Abdeckstreifen 45 bedeckt. Kämme 9 (Fig. i und 2) sind mit
den Rändern dieser Abdeckstreifen und den inneren Längsrändern der Rahmen 44 an
der Ober- und Unterseite verbunden. Ähnliche Kämme oder Zähne 46 verlaufen längs
der mittleren Längslinien oben und unten an jedem Plattensatz, um die Platten in
geeignetem Abstand zu halten und jede harmonikaartige Durchbiegung der Platten zu
verhindern. Diese Zähne 46 sind mit den vorderen und hinteren Kanten der oberen
und unteren Rahmen 44 verbunden.
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Der gesamte Aufbau des Wärmeaustauschers wird von dem mittleren horizontalen
Plattenkörper 13 getragen, der im folgenden an Hand der Fig. 8 bis i i beschrieben
wird. Nach diesen Figuren besteht der Plattenkörper 13 aus einem U-förmigen Kastenträger
30 und einem T-förmigen Kastenträger 35, die miteinander, vorzugsweise durch
Schweißung, starr verbunden sind, so daß sie zwei rechteckige Abteilungen bilden,
durch welche die beiden Plattensätze durchgeführt werden.
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Der U-förmige Kastenträger 30 besteht aus folgenden Teilen:
einer äußeren Platte 31, die sich in der Höhe über das Kastenprofil hinaus erstreckt
und drei Seiten der Außenwand des Wärmeaustauschergehäuses bildet, einer inneren
Platte 32, die sich ebenfalls in der Höhe etwas über das Kastenprofil hinaus erstreckt
und die äußeren Stoßwände bildet. welche die durchlaufenden Leitungsräume seitlich
zwischen benachbarten Doppelplatten abschließen, die zwischen den seitlichen Eintritts-
und Austrittsöffnungen 6° bzw. 6b liegen (Fig. 7), drei horizontalen Platten 33,
die mit der äußeren Platte 31 und der inneren Platte 32 verschweißt sind, so daß
sie mit ihnen eine doppelte Kastenabteilung einschließen (Fig.9), und mehreren dreieckigen
oder trapezförrnigen Versteifungen 34, welche die oberen und unteren horizontalen
Platten 33 mit der äußeren Platte 31 verbinden.
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Der T-förmige Kastenträger 35 besteht aus einem mittleren Kastenträger
36, welcher an seinem rückseitigen Ende mit den oberen und unteren horizontalen
Platten 33 des U-förmigen Kastenträgers durch schräge Teile 37 zusammenhängt und
mit der mittleren horizontalen Platte durch eine innere Versteifung 38. Ein stirnseitiger
Kastenträger 40 hängt an seinen Enden mit dein U-förmigen Kastenträger
30 und an seiner Mitte mit dem mittleren Kastenträger 36 zusammen, wobei
durch beide Träger 36 und 40 eine trapezförinige Platte 39 vorgesehen ist.
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An der Stirnseite ist eine Eildplatte 41 vorgesehen, welche die volle
Höhe der äußeren Platten 31 und die ganze Breite des Stirnträgers 4o hat. Die Stirnplatte
42 ist mit dieser Endplatte durch Versteifungen 43 verbunden. In der Mitte der oberen
Hälfte dieser Stirnplatte 42 ist eine Öffnung 17 vorgesehen, welche mit der Kompressorförderleitung
verbunden «erden kann und in den Eintrittsraum zwischen der stirnseitigen Endplatte
41 und den ersten Platten der beiden Sätze führt, durch welchen die Luftströme (Pfeile
18 und 1g in Fig.7) gehen, die die mittlere Eingangssammelleitung (Pfeil 12 in Fig.7)
und die beiden seitlichen Eingangssammelleitungen (Pfeile 2o und 21 in Fig. 7) -speisen.
An beiden Seiten der unteren Hälfte der Stirnplatte 42 sind Öffnungen 27 und 28
zur Verbindung mit dein Eingang in die beiden Verbrennungskammern vorgesehen, die
in den Austrittsraum zwischen der stirnseitigen Endplatte 41 und den ersten Platten
der beiden Sätze führen, in welche die heiße Luft von der mittleren Ausgangssammelleitung
(Pfeil 14 in Fig.7) und den beiden seitlichen Ausgangssammelleitungen (Pfeile 22
und 23 in Fig. 7) strömt.
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Die Endplatte 41 ist an dem Kastenträger 40 und an den Stirnkanten
der Seitenwände 31 angeschweißt, und der starre Rahmenaufbau, welcher von dem U-förmigen
Kastenträger. dem T-förmigen Kastenträger und der durch ihre Verbindung mit der
Stirnplatte 42 versteiften Endplatte 41 gebildet wird, stellt das Gestell des gesamten
Wärmeaustauschers dar.