DE2706003A1 - Waermetauscher mit platten - Google Patents

Waermetauscher mit platten

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DE2706003A1
DE2706003A1 DE19772706003 DE2706003A DE2706003A1 DE 2706003 A1 DE2706003 A1 DE 2706003A1 DE 19772706003 DE19772706003 DE 19772706003 DE 2706003 A DE2706003 A DE 2706003A DE 2706003 A1 DE2706003 A1 DE 2706003A1
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plate
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Jan Anders Bosaeus
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Studsvik Energiteknik AB
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Studsvik Energiteknik AB
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher mit einem Stapel von Platten, deren jede in einer ersten Richtung ein erstes Endteil, ein zweites Endteil und eine dazwischenliegende Wärmetauseherflache aufweist, wobei beide Endteile einen Einlaß für die eine Strömung und einen Auslaß für die andere Strömung freigeben und Mittel vorgesehen sind, um die nebeneinander und zwischen benachbarten Platten angeordneten Räume voneinander zu trennen, wobei jeder zweite Raum die eine Strömung und die anderen die andere Strömung tragen.
Ein Plattenwärmetauscher dieser allgemeinen Art ist aus der schwedischen Patentschrift 182 214 bekannt. Bei diesem bekannten Wärmetauscher sind in beiden Endteilen der Einlaß und der Auslaß in einer Richtung quer zur Längsrichtung der Platten derart angeordnet, daß die erreichte Wärmetauscherwirkung eine Mischung von Querströmungs- und Gegenströmungswärmeaustausch ist, wobei die Ströme in der Wärmeaustauschszone unsymmetrisch werden und sich Über die Breite der Wärmetauscheroberfläche radikal verändern. Unter anderem bedeutet dies, daß die zur Verfügung stehende Wärmetauscherfläche nur schwach ausgenutzt wird.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Plattenwärmetauschers, in welchem die Wärmetauscher lache auf optimale Weise ausgenutzt werden kann.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung kann in dem Wärmetauscher mit Platten ein reiner Gegenstromwärmeaustausch erreicht werden.
Die Nachteile werden gemäß der Erfindung vermieden, und die Merkmale werden dadurch gewährleistet, daß man einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art verwendet, der so ausgestaltet ist, daß jeweils der Einlaß und der Auslaß in Form einer Mehrzahl von Öffnungen in jeder Platte vorgesehen ist, die Öffnungen in einer oder mehreren Reihen angeordnet sind, welche sich in einer zweiten Richtung quer zur ersten Richtung der Platten erstrecken, Elemente vorgesehen sind, um den Einlaß vom Auslaß in jedem Endteil des Stapels in den Raunen zwischen benachbarten Platten derart zu separieren, daß in jedem Raum alle Öffnungen des Einlasses an einem Endteil einer Platte und alle Öffnungen des Auslasses am anderen Endteil der anderen Platte mit dem Raum in Verbindung stehen* Die Erfindung sowie Ausführungsformen derselben werden in den Ansprüchen beschrieben. Der Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung ist insbesondere als Luftwärmetauscher gedacht und besteht vorzugsweise aus Kunststoff, obwohl er auch aus Aluminium oder für diese Sache aus einem anderen geeigneten Material hergestellt sein könnte.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be-
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Schreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht auf eine Platte, die zu dem Wärmetauscher gemäß der Erfindung gehört,
Fig. 2 einen Schnitt durch die Platte der Fig. 1 entlang der Linie II-II,
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht durch ein Endteil eines mit Platten der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Art aufgebauten Wärmetauschers,
Fig. 3a den Plattenstapel mit schematischen Fließlinien,
Fig. 4 eine Veranschäulichung, wie der Wärmetauscher an einer Endzone ausgestaltet sein kann,
Fig. 5 einen Abstandshalter, der bei der Ausführungsform der Fig. k verwendet wird,
Fig. 6, 7 und 8 unterschiedliche allgemeine Ausfiihrungsformen von Wärmetauscherplatten für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher,
Fig. 9 und 10 zwei mögliche Ausführungsforraen von Wärmetauscheroberflächen, welche Platten zugeordnet sind, die zu dem Wärmetauscher gemäß der Erfindung gehören,
Fig.11 eine Veranschaulichung, wie die Abdichtung an den Umfangszonen der Platten durchgeführt werden kann, und
Fig.12 eine andere mögliche Ausfühiungsform der Abdichtanordnung zwischen Umfangszone und benachbarten Platten.
Figur 1 veranschaulicht eine Wärmetauscherplatte 1, die zu dem Wärmetauscher gemäß der Erfindung gehört. Die Platte l^egt in
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einer ersten Richtung A-A ein erstes Endteil 2, eine Wärmetauscheroberfläche 3 und ein zweites Endteil h frei. Die Endteile 2 und 4 zeigen jeweils eine Reihe von Einlaßöffnungen 5 und eine Reihe von AuslaOöffnunfpi 6. Die Platte zeigt an ihrem Unfang eine Nut 7 für einen Dichtring. Die Platte zeigt an jeder Öffnung 5« bzw. 6a einen Kragen 8, und die Kragen 8 der Öffnungen 5a und 6a sind entgegengesetzt gerichtet, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Reihen 5 und 6 der Öffnungen erstrecken sich parallel zur Richtung B-B, welche rechtwinklig zu der Richtung A-A verläuft. Die geometrischen Achsen A-A und B-B schneiden einander in der Mitte der Platte 1. Eine geometrische Achse C erstreckt sich unter rechten Winkeln zur Platte 1 durch den Schnittpunkt zwischen den Achsen A-A und B-B.
Die Endteile 2 und h, welche die Öffnungen 5& und 6a aufweisen, sind bezüglich einer Drehung von 180 um die Achse symmetrisch derart angeordnet, daß der Wärmetauscher gemäß der Erfindung dadurch geformt werden kann, daß man identische Platten 1 aufeinanderschichtet oder stapelt, wobei die jeweils andere Platte um 180° in ihrer eigenen Ebene bezüglich der benachbarten Platten 1 gedreht wird.
Hierdurch schafft man einen Plattenstapel oder einen Wärmetauscher der allgemein in Fig. 3a gezeigten Gestalt, welche das schematische Fließdiagramm des Wärmetauschers dieser Art veranschaulicht.
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Fig. 3 zeigt mehr im einzelnen, wie die Kragen 8 in benachbarten Platten 1 zusammenwirken, um die Trennung der Einlaß- und Auslaßströme voneinander zustande zu bringen.
Wie Figur 3 zeigt, sind die Kragen 8 so ausgestaltet, daß Kragen auf benachbarten Platten dichtend gegeneinander in jedem anderen Raum 19 anliegen.
Die Platten 1 bestehen vorzugsweise aus dünnem Plattenmaterial, so daß es gut sein kann, Abstandsringe 9 zischen diesen Kragen 8 auf benachbarten Platten vorzusehen, die voneinander fortgerichtet sind. Die Ringe sind perforiert, um das eine Fließmittel in den Spalt, in welchem der Ring angeordnet ist, herauszulassen, und um das andere Fließmittel auf dem zugeordneten Spalt in die Sammlerdurchgänge 5 oder 6 strömen zu lassen. Der Ring 9 hat eine Höhe, die etwa gleich dem Zweifachen des gegenseitigen Abstandes zwischen den Platten 1 ist. Wegen des Vorhandenseins der Ringe 9 kann der von den Platten 1 gebildete Stapel derart zusammengedrückt werden, daß die in Rede stehenden Kragen 8 dicht zusammengedrückt werden, wobei Jedes Risiko vermieden ist, daß einzelne Platten sich unter Beanspruchung verbiegen oder verkrümmen .
Damit die Värmetauscherflache 3 in der Lage ist, ihre Form zu halten, und um die Art der Turbulenz zu begünstigen, welche den Wärmetauscher ermöglicht, sollte die Wärmetauscher·
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fläche 3 geriffelt oder mit Stützelementen versehen sein, z.B. mit Lippen oder dergleichen, welche sich gegen die Wärmetauscherfläche der benachbarten Platten 1 legen, wobei die Kontaktstellen vorzugsweise punktförmig sind. Im Fall der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform kann es zweckmäßig sein, die Platte 1 mit Rillen in der Wärmetauscherflache 3 zu versehen, wobei die Rillen oder Wellen vorzugsweise unter einem Winkel von vorzugsweise k$ zur Richtung A-A in der Fig. 9 und 10 gezeigten Weise verlaufen. In Fig. 10 ist die Auswahl so getroffen, daß man die Wärmetauscherfläche 1 in zwei Wände 3a aufteilt, die bezüglich der Achse A-A spiegel symmetrisch sind.
Die insoweit beschriebene Ausführungsform ist besonders zweckmäßig, denn sie führt zur Bildung eines Wärmetauschers, der nur eine Plattenart verwendet. Wenn man Jedoch auf die Nut 1 in der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 verzichtet und stattdessen das Dichtelement, z.B. einen Kautschukring, am Umfang der Platte 1 anordnet, unter Verwendung einer Wickeltätigkeit oder dergleichen, dann wird es möglich, mit einer Einheitsplatte einen Wärmetauscher gemäß der Erfindung dadurch zu schaffen, daß man dafür sorgt, daß die Platte 1 bezüglich der A«fca· A-A oder der Achse B-B (vergleiche Fig. 6-8) symmetrisch ist, so daß der Stapel infolge der Tatsach·, daß jede weitere Platte um 180° um die betreffende geomeliieche Achse gedreht wird, erzeugt wird, wenn man dan Stapel Platten aufbaut, um den Wärme tauscher gemäß der Erfindung zu bilden.
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Es versteht sich jedoch, daß die Technik zum BiOffen einer Platte 1, derart, daß nur eine Art von Platte 1 erforderlich ist, um einen Wärmetausch gemäß der Erfindung herzustellen, nur einen Teil der Erfindung bildet.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß die Endteile der Platten 1 in einer solchen Weise angeordnet werden, daß mindestens die Fließöffnungen nächst der Wärmetauscherfläche 3 die Form einer Reihe von gleichmäßig im Abstand angeordneten Öffnungen 5» und 6a haben, so daß die andere Strömung in den Raum zwischen die Öffnungen 5» und 6a der Reihen gehen kann.
Dies schließt ein, daß es durchaus denkbar ist, zwei Arten von Platten 1 zu verwenden, die abwechselnd spiegelsymmetrisch sind. Wenn man zwei Plattenarten verwendet, dann wird keine Symmetrie zwischen einzelnen Platten gefordert, wenngleich es nichtsdestoweniger sehr wichtig ist, daß die Öffnungen 5a in den Reihen 5 und 6a in den Reihen 6 ziemlich gleichmäßig über die Wärmetauscherplatten verteilt sind, do daß ein gleichmäßiges Fließmuster zwischen den Wärmetauscherflächen 3 erreicht wird·
Um somit die Erfindung zur Wirkung zu bringen, ist es nicht notwendig, daß die Öffnungen sehr nahe an den Kanten der Platten angeordnet werden, um aus Reihen von Öffnungen zu bestehen, und statt dessen können diese ebenso gut durch eine einzige Öffnung ersetzt sein, die sich im wesentlichen Über die ge-
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samte Breite der Platte erstreckt.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 kann man eine spezielle Umfangsdrucknut 7 in der Platte 1 sehen, die zur Aufnahme eines Dichtringes 15 ausgeformt ist. Die Nut 7 ermöglicht ein korrektes Einstellen des Dichtringes 15, und seine konkave Seite zeigt eine Palte oder einen Falz, die zur Steuerung der gegenüberliegenden Seite des Dichtringes 15 angeordnet ist· Es sei bemerkt, daß es erheblich vorteilhaft ist, wenn ein Dichtelement 15 an jeder Platte 1 angebracht ist, weil auf diese Weise während der Montage des Wärmetauschers gemäß der Erfindung die Handhabung erheblich erleichtert ist.
Man beachte ferner, daß der Wärmetauscher gemäß der Erfindung in erster Linie als Luft-Luftetauscher gedacht ist, um Wärmeenergie in der Abluft aus einem Gebäude auf die Frischluft in das Gebäuce hinein zu übertragen, und bei dieser Art von Anwendung kann es sehr leicht passieren, daß Fremdkörper und Abfall in einem Wärmetauscher nach gewisser Betriebszeit sich ansammeln kann, so daß es gut ist, wenn der Plattenstapel leicht auseinandergenommen, gereinigt und dann ebenso leicht wieder zusammengebaut werden kann. Der Wärmetauscher gemäß der Erfindung erfüllt dieses Kriterium.
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Der Wärmetauscher gemäß der Erfindung ist jedoch nicht auf das soeben beschriebene Anwendungsgebiet beschränkt, sondern kann tatsächlich auch generell als Wärmetauscher angewendet werden und sorgt für einen hohen Wirkungsgrad im Vergleich zu bekannten Wärmetauschern; und zwar wegen des vollständigen Gegenstromwärmeaustausch», der sich, ebenso wie äußerst gleichmäßige Strömungen entwickelt; somit nutzt der Wärmetauscher gemäß der Erfindung in sehr wirksamer Weise die theoretisch höchstmögliche Wärmetauscherkapazität aus.
Gemäß den Fig. 6 bis 8 seien nun einige andere Arten einer symmetrischen Form veranschaulicht, die notwendig sind, wenn es beabsichtigt ist, den Wärmetauscher gemäß der Erfindung aus einer einzigen Art Platte herzustellen. Das Pluszeichen bezeichnet z.B. hier Öffnungen mit Kragen, die zur einen Seite zeigen, und das Minuszeichen Öffnungen mit Kragen, die zur anderen Seite zeigen, und abwechselnde Plus- und Minuszeichen können jeweils Einlaßöffnungen und Auslaßöffnungen in den betreffenden Endteilen bezeichnen.
Es versteht sich jedoch, daß die Kragen 8 für den Aufbau des Wärmetauschers gemäß der Erfindung nicht wesentlich sind, da es durchaus möglich ist, anstelle von zwei Kragen 8, welche gegeneinander zeigen und als Dichtung im Verhältnis zueinander wirksam sind, diese Kragen in benachbarten Platten 1 anzuordnen, um zwischen den Platten an den betreffenden Öff-
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nungen einen ßkig der in Pig. 5 gezeigten Art vorzusehen, obwohl der Ring 9 nicht irgendwelche Löcher 10 aufweisen sollte.
Die Rohrabdeckungen, die am Strömungseinlaß und Strömungsauslaß von dem Plattenstapel gemäß der Erfindung erforderlich sind, bilden nicht Teil der Erfindung, können aber jede funktionell geeignete und zweckmäßige Form haben, und dieselbe paßt zu irgendwelchen äußeren Endplatten, zwischen welche der Plattenstapel geklemmt werden kann.
Die Öffnungen 5a. und 6a haben vorzugsweise eine ovale oder längliche Gestalt, wobei die Hauptachse einer Öffnung im wesentlichen parallel zur Richtung A-A angeordnet ist. Auf diese VeL se kann den Öffnungen 5a und 6a ein relativ großer Querschnittsbereich gegeben sein ohne Beschränkung des Fließraumes zwischen benachbarten Öffnungen in derselben Reihe. Ferner ist es selbstverständlich wesentlich, daß die Öffnungen 5a und 6a einen größen Fließbereich haben, weil die durch die Öffnungen 5a und 6a gebildeten Durchgänge, die gegeneinander gerichtet sind, Fließmittel in mehrere Spalte zwischen den Platten 1 zu führen oder einzuspritzen haben.
Bei einer praktischen Ausführungform kann nan beispielsweise angeben, daß jeder Strömungadurchlaß, der von den Öffnungen 5a oder 6a gebildet 1st, die gegeneinander gerichtet aind,
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2 einen Bereich von etwa 70 cm hat. Jeder Auslaß von dem Durchgang 5a, 6a zu einem Spalt 19 ist so ausgestaltet, daß er 10 cm Spaltbreite füllt. Wenn der Plattenstapel 21 Platten 1 enthält und jeder Spalt 19 eine Durchschnittshöhe von 1 cm hat, muß jeder Durchlaß 5a oder 6a als Spaltbereich von 1OO cm dienen (die Ausströmung von einem Durchlaß 5a zu den Spalten 19 finden nur jeden zweiten Spalt statt).
Es versteht sich jedoch, daß der Bereich der Öffnungen 5a oder 6a dadurch gesteigert werden kann, daß man sie in Richtung A-A weiter verlängert, und zusätzlich können die Durchlässe 5a, 6a von beiden Enden des Pia ttenstapels versorgt bzw, entleert werden.
Offensichtlich kann man die Platten 1 auch in der Weise ausgestalten, daß die Spalte 19 sehr eng let ι was einen günstigen Effekt auf die Außenmaße des Wärmetauschers hat, obwohl
auf dies natürlich einen erhöhten Druck den Wärmetauscher mit sich bringt. Für jede spezielle Anwendung gibt es selbstverständlich ein optimales wirtschaftliches Gleichgewicht zwischen diesen zwei Faktoren.
Fig. 11 veranschaulicht, wie die Abdichtung zwischen den Umfangszonen der Platte 1 angeordnet sein kann, insbesondere den in der in Fig. 8 gezeigten Weise ausgestalteten Platten.
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Fig. 11 veranschaulicht einen Schnitt durch eine Umfangszone einer Längsseite eines Stapels von Platten 1.
Jede Umfangsζone 7a einer Platte hat die Gestalt einer Welle oder "Sinus"-Gestalt (eine Periode). Die Höhe des Wellenberges und Wellentales von der Grundebene der Platte 1 ist das halbe Intervall bzw. der halbe Abstand zwischen den Basisebenen benachbarter Platten 1.
Da jede andere Platte 1 bezüglich der Achse B um 180 gedreht wird, stoßen benachbarte Platten abwechselnd in dichtender Weise zuerst mit dem Wellenberg und dann mit dem Teil des Wellentals gegeneinander. Diese Berührungsstellen erstrecken sich kontinuierlich um den gesamten Umfang der Platten. Erforderlichenfalls können selbstverständlich Packungsringe 2k in den Abständen zwischen den Kantenzonen 7a benachbarter Platten angeordnet werden, wobei diese Ringe vorzugsweise eine Höhe haben, welche dem Iweifachen gegenseitigen Abstand zwischen den Basisebenen benachbarter Platten 1 entsprechen, und die Ringe haben vorzugsweise «ine solche Form, daß sie vollständig den ganzen Raum zwischen den jeweiligen Wellenformen benachbarter Platten 1 ausfüllen.
Insbesondere in demjenigen Fall, wo die Platten 1 in der in Fig. 6 gezeigten Weise ausgestaltet sind, können die Umfang szonen der Platten 1 alt einer relativ scharfen Falte oder einem scharfen FaIs 22 ausgestattet sein, so daß die Falten
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in benachbarten Platten 1 ineinander geschnappt werden können oder mindestens gegeneinander gehaltert weiden können. Ein Beispiel dieser Ausgestaltung ist in Fig. 12 gezeigt.
Der Ring der Fig. 5 kann selbstverständlich auf viele Weisen modifiziert werden, vorzugsweise, um ihn für die Massenproduktion geeignet anzupassen, so daß er zum Beispiel durch Spritzformen herstellbar ist. Insofern kann es zweckmäßig sein, einen Ring 9 als ein Umfangsband zu formen, welches mehrere Zähne freigibt oder zeigt, welche in gegenüberliegenden Richtungen bezüglich der Ebene des Ringes 9 hervorragen. Ebenso ist es prinzipiell möglich, den Ring gemäß Fig. 5 in der Form zweier im wesentlichen identischer Hälften herzustellen, die für ein dauernde Befestigung in ihren entsprechend zugeordneten Platten 1 gedacht sind, wobei dies ferner das Anordnen und Auseinanderbauen des Plattenwärmetauschers begünstigt.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    Wärmetauscher mit einem Stapel Platten (i), deren jede in einer ersten Richtung (A-A) ein erstes Endteil (2), ein zweites Endteil (h) und eine dazwischen angeordnete Wärmetauscherfläche (3) aufweist, wobei beide Endteile (2, k) einen Einlaß für die eine Strömung und einen Auslaß für die andere Strömung zeigen und Mittel (7, 15; 8) zur Trennung der Räume (19) voneinander vorgesehen sind, wobei die Räume (19) einander benachbart und zwischen benachbarten Platten (1) angeordnet sind, und wobei immer
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    PonidM*: Fnakinn/Mdn «7M-M! Buk: DnsdMr Buk AG. Wlnbtdo. Kooto-Nr. t7»M7
    ORIGINAL INSPECTED
    der eine Raum die eine Strömung und der andere die andere Strömung trägt, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß und der Auslaß jeweils in der Form einer Mehrzahl von Öffnungen (5a» 6a) in jeder Platte (i) angeordnet sind, die Öffnungen in einer oder mehreren Reihen (5» 6) angeordnet sind, welche sich in einer zweiten Richtung (B-B) quer zur ersten Richtung (A-A) der Platten (i) erstreclen , Trennelemente (8) zum Trennen des Einlasses vom Auslaß in jedem Endteil (2 k) im Stapel in den Räumen (19) z*i sehen benachbarten Platten (i) derart vorgesehen sind, daß in jedem Raum (19) alle Öffnungen des Einlasses an einem Endteil einer Platte und alle Öffnungen des Auslasses am anderen Endteil der anderen latte mit dem Raum ( 19) in Verbindung stehen.
    2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (Li) zwischen den Reihen Einlaßöffnungen, welche der einen Strömung zugeordnet sind, und der entsprechenden Auslaßöffnungen im wesentlichen gleich ist dem Zwischenraum (L 2) zwischen den Reihen Einlaßöffnungei und Auslaßöffnungen, welche der anderen Strömung zugeordnet sind.
    3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen von Öffnungen jeweils bezüglich einer mittigen geometrischen Achse (A-A) durch die Platte in der ersten Richtung symmetrisch sind.
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    k. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3· dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Endteile der Platten einschließlich der Reihen von Öffnungen bezüglich einer· mittigen geometrischen Linie (A-A) spiegelsymmetrisch sind, welche sich durch die Platte in einer ersten Richtung erstreckt oder bezüglich einer mittigen geometrischen Linie (B-B), welche sich durch die Platte in einer Richtung senkrecht zur ersten Richtung erstreckt, oder bezüglich einer mittigen geometrischen Achse (C) symmetrisch sind, welche durch die Platte in einer Richtung geht, die unter rechten Winkeln sowohl zur ersten als auch zur zweiten Richtung steht.
    5· Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (8) einen sich um jede Öffnung (5&t 6a) erstreckenden Kragen bzw. eine Manschette aufweist und daß die Kragen (8) auf benachbarten Platten (i), welche aufeinander zu gerichtet sind, sich gegeneinander dichtend abstützen.
    6. Wärmetauscher nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Kragen (8) an den Einlaßöffnungen in einem Endteil sich alle an der gleichen Seite befinden, aber des die Auslaßöffnungen in demselben Endteil umgreifenden Kragen entgegengerichtet sind.
    7· Wärmetauscher nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß perforierte Abstandsringe (9) zwischen Kragen (8) auf
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    benachbarten Platten (i) angeordnet sind, welche voneinander fort gerichtet sind und miteinander in Flucht liegen.
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