DE2926578A1 - Sicherheitswaermeuebertragungseinrichtung - Google Patents

Sicherheitswaermeuebertragungseinrichtung

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DE2926578A1 DE19792926578 DE2926578A DE2926578A1 DE 2926578 A1 DE2926578 A1 DE 2926578A1 DE 19792926578 DE19792926578 DE 19792926578 DE 2926578 A DE2926578 A DE 2926578A DE 2926578 A1 DE2926578 A1 DE 2926578A1
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Description

Sicherheitswärmeübertragungseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungseinrichtung zur Wärmeübertragung zwischen einem Kältemittel und einer davon getrennten Flüssigkeit, insbesondere zur Trink- und Brauchwassererwärmung, bei der ein an einem Flüssigkeitsbehälter befestigter Wärmeübertrager in den Flüssigkeitsbehälter hineingeführt ist.
Bei der Wärmerückgewinnung aus Kühlanlagen oder Kältekreisläufen (etwa nach der DE-OS 2.530,994) wird das Kältemittel durch einen im Flüssigkeitsbehälter eingebauten Wärmeübertrager (z. B. Kondensator) hindurchgeleitet. Das Kältemittel gibt z. B, durch Kondensation im Rohr seine Wärmeenergie an die Flüssigkeit (Wasser) im Behälter ab.
Diese Wärmeübertragungseinrichtung benötigt zur Wärmeübertragung allerdings große Wärmeübertragungsflächen und somit große Rohrlängen. Dies bewirkt einen sehr großen, nicht erwünschten kältemittelseitigen Druckabfall»
Neben diesen Nachteilen wird ein Punkt von diesem System nicht erfüllt, und zwar die in neuerer Zeit erhobene Forderung nach erhöhter Sicherheit bei der Trinkwasserbereitung. Es soll nämlich die direkte Trink- oder Brauchwassererwärmung vermieden werden, da hierbei das Kältemittel und das Trinkwasser nur durch eine Wand getrennt sind und somit die Gefahr des Druchbruchs und ein Eintritt des Kältemittels
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in das Trinkwasser möglich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeübertragungseinrichtung anzugeben, die dem Sicherheitsaspekt nach vollständiger Trennung von Flüssigkeit und Kältemittel bei optimaler Wärmeübertragung voll genügt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wärmeübertrager als mindestens ein Wärmerohr ausgebildet ist, dessen außerhalb des Flüssigkeitsbehälters befindliches Ende in einem vom Kältemittel durchströmten Kältemittelbehälter angeordnet ist, der über eine von dem Wärmerohr durchsetzte Doppelwandung mit dem Flüssigkeitsbehälter verbunden ist.
Die Erfindung zeigt somit einen Sicherheitswärmeübertrager auf, welcher die Trennung des Kältemittels von der Flüssigkeit (Trinkoder Brauchwasser) sicherstellt und ein Übertreten von Kältemittel in die Flüssigkeit (Trink- oder Brauchwasser) verhindert und gleichzeitig eine eventuelle Leckage indirekt über eine Leistungsminderung anzeigt.
Durch die Verwendung von Wärmerohren (Heatpipes) als Wärmeübertrager wird die Wärme von der Wärme zuführenden Seite sehr schnell und mit hohem Wirkungsgrad zur Wärme abführenden Seite geleitet. Die Wärmerohre sind dabei in einer z. B. in Rohrbündelübertragern üblichen Anordnung angeordnet.
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Durch den in sich geschlossenen Wärmerohrkreislauf ist zwischen Kältemittel und Flüssigkeit (Trinkwasser) ein extrem gut leitender Zwischenkreislauf geschaltet. Um nun auch eine sichere Trennung der kältemittel- und wasserseitigen Räume zu erreichen, sieht die Erfindung eine Doppelwandung vor. Dadurch wird erreicht, daiB bei einer Leckage sowohl von der Kältemittelseite als auch von der Flüssigkeitsseite (Wasser) das eine Medium nicht in das andere übertritt, sondern ins Freie austritt.
Der Ausfall einzelner Rohre durch z. B. Korrosion auf der Flüssigkeitsseite (Wasser) zeigt sich in einer Leistungsminderung z. B. bei der Trinkwassererwärmung.
Die erfindungsgemäße Anordnung beinhaltet einen weiteren wesentlichen Vorteil gegenüber bisher üblichen Wärmeübertragern. Bei einem Ausfall einzelner oder mehrerer Wärmerohre bleibt der Wärmeübertrager, zwar mit geringerer Leistung, funktionsfähig, so daß sich Ausfallzeiten z. B. der Kälteanlage rein auf die Umbauzeit beschränken.
Im Hinblick auf den genannten Sicherheitsaspekt besteht eine besondere Ausführungsform der Erfindung darin, daß das Wärmerohr eine gegenüber der Flüssigkeit (Trink- oder Brauchwasser) neutrale bzw. ungefährliche Füllung aufweist.
Damit kein Wärmerücktransport eintritt, sind die Wärmerohre vorzugsweise geneigt; denn die Wärmerohre arbeiten üblicherweise nicht gegen
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die Schwerkraft. Die Wärmerohre können zwar auch eine innere Kapillarstruktur aufwei-sen, doch muß diese Struktur so ausgebildet sein, daß kein Rücktransport eintritt.
Bei einer Verwendung der Wärmeübertragungseinrichtung als Kondensatoi ist das Wärmerohr zur Kältemittelseite geneigt. In diesem Fall ist das Wärmerohr bei einem mit Wasser gefüllten Flüssigkeitsbehälter ebenfalls bevorzugt mit Wasser gefüllt.
Bei einer empfehlenswerten Verwendung, der Uärraeübertragungseinrichtung als Verdampfer (wenn also z. B0 VJarme aus dem Flüssigkeitsbehälter entzogen werden soll) ist das Wärmerohr zur Flüssigkeitsseite geneigt. Als Füllmittel für das Wärmerohr empfehlen sich dabei-ungefährliche Alkohole, vorzugsweise Ä'thanol, d. h. solche Alkohole, die für den Wasserverbraucher nicht gesundheitsschädlich sind.
Nach einer besonderen Ausführungsforrn der Erfindung ist di-e Doppelwandung mindestens teilweise offen, damit bei einer Leckage Kältemittel bzw. Flüssigkeit ins Freie austreten kann.
Eine direkte Leckanzeige wird bevorzugt dadurch verwirklicht, dai3 der Raum zwischen den beiden Flanschen an einer Anzeigevorrichtung angeschlossen viird, so daß nicht nur visuell eine Leckage festgestellt werden kann.
Bevorzugt ist eine solche Wärmeübertragungseinrichtung, bei der mindestens ein Teil der .Doppelwandung als Flansch ausgebildet ist*» Dies
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ORIGINAL INSPECTED
zeigt besondere Vorteile, wenn eine aus Kaltemittelbehälter, Wärmerohr und Doppelwandung bestehende Einheit am-Flüssigkeitsbehälter wahlweise in Verdampfer- oder Kondensatorstellung anflanschbar ist. Dieselbe Einheit kann dann als Verdampfer oder Kondensator eingesetzt werden, ^e nachdem^ zu welcher Sei^e die Wärmerohre geneigt sind. Eine solche Einsatzmöglichkeit 1st beispielsweise vorteilhaft für den Umschaltbetrieb von Klimaanlagen (Einsatz als Kühlanlage bzw, Wärmepumpe).
Die Ausbildung des Flüssigkeitsbehälters geschieht vorzugsweise als Boiler oder zwangsdurchströmter Behälter.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß bei einer Wärmeübertragungseinrichtung, bestehend aus mindestens einem Kernrohr und einem darübergeschobenen Mantelrohr, das Wärmerohr von dem an den Enden verschlossenen Kernrohr und Kältemittel- und Flüssigkeitsbehälter mit Doppelxfandung durch Teile des in der Mitte aufgetrennten Mantelrohrs gebildet sind, die jeweils mit dem Wärmerohr verbunden sind, wobei neben der Mitte öffnungen für die beiden Mantelrohrteile vorgesehen sind. Verdampfer und Kondensatoren liegen vorzugsweise in Koaxialform vor.
Die Wärmeübertragungseinrichtung ist vorteilhaft gestreckt oder gebogen, insbesondere spiralförmig oder wendelförmig gewickelt, ausgeführt.
Bei Verwendung einer gewickelten Wärrneübertragungseinrichtung als Kondensator ist das Kältemittel im unteren Teil des Mantelrohres
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vorhanden, -während bei einer Verwendung -als Verdampfer im unteren'-- '-Teil Flüssigkeit vorliegt.. · ·. . ."-"■"" -
Bei dem.bevorzugten Einsatz des - Sicherhe-its-Usr'ineüberträge-rs als Ölkühler befindet sich im unteren .Teil des" -Mantelrohres das zu kühlende Öl und im oberen Teil Wasser als Kältemittel. Dureh den Sicherheits-Wärmeübertrager wird also insbesondere vermieden, daß Wasser in den Ölkreislauf" einer Maschine eintritt, was u„ IL. maschinen« seitig zu nachteiligen'Folgen führen könnte»
In vorteilhafter V/eise sind die Hantelrohrteile in der Mitte jeweils über Einsatzstücke mit dem Wärmerohr verbunden*
Zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung weisen die Enden des Wärraerohrs in besonderer Ausgestaltung der Erfindung Außenrippen auf.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Sicherheits-Wärrneübertragungseinrichtung in einer Kondensator-Schaltung zur Brauchwassererwärmung,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Wärmeübertragungseinrichtung,
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Doppelflansch entsprechende Linie A-A nach Fig. 2, ■
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ORlGiNAL INSPECTED
Fig. 4 eine '.värmeübertragungseinrichtung in einer Verdampfer-Schaltung,
Fig. 5 das Prinzip einer Värmeübertragungseinriehtung in gestreckter Ausführung,
Fig. 6 eine Seitenansicht einer koaxialen V'äririeübertragungseinrichtung in v;endelförmiger Ausführung und
Fig. 7 die nach oben geklappte Einrichtung nach Fig. 6.
In der Schaltung zur Brauchv.TasEererv.Tä.rr.iung nach Fig. I ist die 3icherheits-T..'ärmeübertragungseinrichtung 1 in einem üblichen Kältekreislauf mit Expansionsventil 2, Verdampfer 3, Verdichter 4, luftgekühlten Kondensator 5.» Sanr.iler 6 und Kältemittel 1J eingesetzt.
Die Viärmeübertragungseinriehtung 1 selbst besteht aus einem Kältemittelbehälter 8, in den mit Wasser gefüllte l.'ärmerohre 9 eingesetzt sind (in Fig. 2 ist nur ein "ärr.erohr 9 dargestellt). Die V,Tärmerohre durchsetzen dabei eine Doppelwandung 11. Die Befestigung der so gebildeten Einheit an dem mit u'asser gefüllten Flüssigkeitsbehälter erfolgt über einen Flansch II1 (je nach aröße des Kältemittelbehälters 8 sind weitere nicht gezeigte Abstützungen vorgesehen).
Aus dem Schnitt nach Fig. 3 erkennt man beispielsweise in der oberen Hälfte als mögliche Ausführungsform die fluchtende Anordnung der V.'ärmerohre 9, in der unteren Hälfte die versetzte Anordnung.
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ORIGINAL INSPECTED
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Bei den '.'ärmer ohr en 9 handelt es sich in bekannter Weise um -evakuierte und an beiden Enden 9' b^w, 9n vakuumdicht verschlossene Rohre, die an den Ξη-den 9' bzw„. 9" außenberippten Uärr.erohre 9 sind zur Kälterr.ittelseite geneigt, so dai3 das Kondensat jeweils wieder zurücklaufen kann. Die "Järmerohre 9 sind im Kältemittelbehälter δ mittels einer Lochblende 12 und einer Eälfte der Doppelbindung 11 gehalten.
Die Wirkungsweise der V/ärrceübertragungseinriehtung 1 ist derart, da3 das entsprechend der Pfeile durch den Kältenittelbehälter 8 strömende Kältemittel 7 seine Wärmeenergie an die Y." arme rohre 9 abgibt, die ihrerseits das in den 'wasserbehälter 10 eintretende Kaltwasser erwärmen. Hs kann zusätzlich eine Umschaltung vorgesehen sein, die d&für corgt, da3 nach Erwärmung des Wassers auf die gewünschte Temperatur die gesamte Kondensation im luftgekühlten Kondensator 5 stattfindet.
Sollte in einem oder mehreren Ivärmerohren 9 ein Leck auftreten, so macht sich dies durch einen Leistungsabfall bei. der Brauchwassererwärmung bemerkbar,» Bei einem Leck in eier Doppelwandung 11 tritt entweder Kältemittel 7 oder Uasser ins Freie, deshalb ist es vorteilhaft, den Zwischenraum 13 der Doppelwandung 11 mit einem - nicht dargestellten - Detektor zur Leckanzeige zu verbinden.
Fig. 1T zeigt eine V'ärmeübertragungseinrichtung 1 in einer Verdampfer-Sehaltungo
Im Gegensatz zu Figo 1 ist. hier die Wärmeübertragungseinrichtung 1 vor dem Verdichter 4 (in Strömungsrichtung des Kältemittels 7) als
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ORIGINAL INSPECTED
Verdampfer eingesetzt mit einer Neigung der Wärmerohre 9 zur Flüssigkeitsseite.
Der Flüssigkeitsbehälter IO kann als 1( Stau-Behälter" für Abwasser, dem zur Wärmerückgewinnung VJarme entzogen wird, oder als zwangsdurchströmter Behälter, durch d.en z. B. Grundwasser als Energiequelle für eine Wärmepumpe durchgepumpt wird, ausgebildet sein. In diesen beiden Fällen dürfte der luftgekühlte Kondensator 5 zumeist durch einen wassergekühlten Kondensator ersetzt werden.
Die Schaltung nach Fig. 4 mit der Wärmeübertragungseinrichtung 1 kann auch für einen Kaltwassersatz zur Kühlung von Umlaufwasser verwendet werden.
Für die vorliegenden Anwendungszwecke wurden gute Ergebnisse erzielt mit einer Rohrbündel-Sicherheitswarmeübertragungseinrichtung 1, deren Kältemittelbehälter 8 eine Länge von 350 mm und einen Durchmesser von 90 χ 3 mm aufwies, wobei 12 bzw. 13 Wärmerohre 9 mit einem Rohrabstand von l8 mm gemäß der oberen Hälfte von Fig. 3 angeordnet waren.
Die mit inneren Längsrippen versehenen Wärmerohre 9 aus SF-Cu hatten folgende Abmessungen:
Länge : 750 mm
Außendurchmesser : 16 mm
Kerndurchmesser : 9 mm
Anzahl der inneren Rippen : 25 Rippenhöhe der äußeren Rippen: 1,55 mm
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Die Füllmenge V/asser, betrug 6 Gramm. Bei der obigen Länge von 750 mm der Wärmerohre 9 und einer Breite des Zwischenraums Ij5 von 20 mm betrug die Eintauchtiefe der Wärmerohre 9 in den Flüssigkeitsbehälter 10 etwa 400 mm.
Bei der Wärmeübertragungseinrichtung 1 in gestreekter Ausführung nach Fig. 5 sind die Wärmerohre 9 in den Teilen 14' und 14" eines Mantelrohres 14 angeordnet; dabei wird der Flüssigkeitsbehälter 10 von dem Teil 14' und der Kältemittelbehälter 8 von dem Teil 14" gebildet. Die an der Mitte I7 angeordnete Doppelwandung 11 entsteht durch Verbindung der Teile 14' bzw. 14" mit den Wärmerohren 9. Neben der Doppelwandung 11 sind Öffnungen 15 für das Kältemittel 7 und die Flüssigkeit vorgesehen.
In den Fig. 6 und 7 ist eine koaxiale Wärmeübertragungseinrichtung 1 in wendeiförmiger Ausführung dargestellt. In den Teilen 14' bzw. 14" des Mantelrohres 14 ist hier nur ein Wärmerohr 9 angeordnet. Die Teile 14' und 14" sind an der Mitte I7 über Einsatzstücke 16 mit dem Wärmerohr 9 verbunden. Die Einsatzstücke l6 weisen gleichzeitig öffnungen I5 auf. Es wird die Verwendung als Kondensator gezeigt: der Kältemittelbehälter 8 wird vom unteren Teil 14", der Flüssigkeitsbehälter 10 vom oberen, Teil l4' gebildet. Bei einer Verwendung der Wärmeübertragungseinrichtung 1 nach Fig. 6 und 7 als ölkühler befindet sich öl im unteren Teil 14" und Wasser im oberen Teil 14'.
Mit einer wendelförmig gewickelten Koaxial-Wärmeübertragungseinrichtung 1 (4, 5 Windungen, Wickeldurchmesser: 260 mm) wurden gute Ergebnisse erzielt.
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Das Mantelrohr 14 aus SF-Cu hatte eine Länge von 3700 mm und einen Durchmesser von 25 χ 1 nun; das 'wärmerohr 9 war analog wie im obigen Beispiel ausgeführt und hatte eine Länge von etwa 3900 mm. Die Füllmenge Wasser betrug 35 Gramm.
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Claims (1)

  1. Wieland-Werke AG 7900 Ulm (Donau)2 9?£&f 7$ ka
    TPT-2483
    Patentansprüche :
    \.\ Wärmeüberträgungseinrichtung zur Wärmeübertragung zwischen einem Kältemittel und einer davon getrennten Flüssigkeit, insbesondere zur Trink- und Brauchwassererwärmung, bei der ein an einem Flüssigkeitsbehälter befestigter Wärmeübertrager in den Flüssigkeitsbehälter hineingeführt ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Viärmeübertrager als mindestens ein Wärmerohr (9) ausgebildet ist, dessen außerhalb des Flüssigkeitsbehälters (10) befindliches Ende (9T) in einem vom Kältemittel (7) durchströmten Kältemittelbehälter (8) angeordnet ist, der über eine von dem Wärmerohr (9) durchsetzte Doppelwandung (11) mit dem Flüssigkeitsbehälter (10) verbunden ist.
    2. VJärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (9) eine gegenüber der Flüssigkeit neutrale Füllung aufweist«,
    3. Wärmeübertragungseinrichtung, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß das Wärmerohr (9) geneigt ist.
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    COPY
    4. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn-~ zeichnet,
    daß das Wärmerohr (9) zur Kältemittelseite geneigt ist (Fig.l, 2).
    5· Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
    daß bei einem mit Wa-sser gefüllten Flüssigkeitsbehälter (10) das Wärmerohr (9) mit Wasser gefüllt ist.
    6. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet,
    daß das Wärmerohr (9) zur Flüssigkeitsseite geneigt ist (Fig. 4).
    7. Wärmeübertragungseinrichtung nach Ansprpch 6, dadurch gekennzeichnet,
    daß das Wärmerohr (9) mit ungefährlichen Alkoholen gefüllt ist.
    8. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
    daß das Wärmerohr (9) mit Äthanol gefüllt ist.
    9. Wärmeübertragungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppeiwandung (11) mindestens teilweise offen ist.
    10. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, .."_."
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    daß mindestens ein Teil (H') der Doppelwandung (H) als Plansch ausgebildet ist.
    11. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 4 oder 6, 10, dadurch gekennzeichnet,
    daß eine aus Kältemittelbehälter (8), VJ ärmer ohr (9) und Doppelv.'andung (11) bestehende Einheit am Flüssigkeitsbehälter (10) vrahlweise in Verdampfer- oder Kondensatorstellung anflanschbar ist.
    12. V/ärmeübertragungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
    daß im Zwischenraum (13) der Doppelwandung (H) ein Detektor zur Leckanzeige angeordnet ist.
    13. V/ärmeübertragungseinriehtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Flüssigkeitsbehälter (10) als Boiler ausgebildet ist.
    14ο Viärmeübertragungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Flüssigkeitsbehälter (10) als zwangsdurchströmter Behälter ausgebildet ist.
    15. yärrneübertragungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 und 12, dadurch gekennzeichnet,
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    daß bei einer Wärmeübertragungseinrichtung, bestehend aus mindestens einem Kernrohr und einem darübergeschobenen Mantelrohr das Wärmerohr (9) von dem an den Enden verschlossenen Kernrohr und Kältemittel- (8) und Flüssigkeitsbehälter (10) mit Doppelwandung (11) durch Teile (14', 14") des in der Mitte (I7) aufgetrennten Mantelrohrs (14) gebildet sind, die jeweils mit dem Wärmerohr (9) verbunden sind, wobei neben der Mitte (17) Öffnungen (I5) für die beiden Mantelrohrteile (14', 14") vorgesehen sind (Fig. 5, 6, 7).
    16. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Wärmeübertragungseinrichtung (1) koaxial ausgebildet ist (Fig. 6, 7).
    17. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 15 oder l6, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Wärmeübertragungseinrichtung (1) gestreckt ausgeführt ist (Fig. 5).
    18. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch I5 oder 16, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Wärmeübertragungseinriehtung (1) gebogen ausgeführt ist.
    19. Wärmeübertragungseinriehtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Wärmeübertragungseinrichtung (1) spiralförmig oder wendelförmig gewickelt ist (Fig. 6, 7)·
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    20. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 19* dadurch gekennzeichnet,
    daß im unteren Teil (14") des Mantelrohres (14) Kältemittel (7) vorhanden ist. (Fig. 6, 7).
    21. Wärmeübertragungseinriehtung nach Anspruch 19.» dadurch gekennzeichnet,
    daß im unteren Teil (14") des Mantelrohres (14) Flüssigkeit vorhanden ist.
    22. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,
    daß im unteren Teil (14") des Mantelrohres (14) Öl und im oberen Teil (14') Wasser vorhanden ist.
    23. Wärmeübertragungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 22, dadurch .gekennzeichnet, daß die Mantelrohrteile (14', 14") in der Mitte (I7) jeweils über Einsatzstücke (16) mit dem Wärmerohr (9) verbunden sind.
    24. Wärmeübertragungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 233 dadurch gekennzeichnet, daß ein oder beide Enden (9', 9") des Wärmerohrs (9) außen berippt sind.
    0300-63/03
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