DE1501481C3 - Anordnung zur Wärmeübertragung - Google Patents
Anordnung zur WärmeübertragungInfo
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- DE1501481C3 DE1501481C3 DE1501481A DEC0037677A DE1501481C3 DE 1501481 C3 DE1501481 C3 DE 1501481C3 DE 1501481 A DE1501481 A DE 1501481A DE C0037677 A DEC0037677 A DE C0037677A DE 1501481 C3 DE1501481 C3 DE 1501481C3
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Description
(Π)
20
worin
b, S3 und 5/ die Höhe, Grundfläche und Oberfläche
eines Vorsprunges,
c der Wärmeleitungskoeffizient des Materials, q die kritische Flußdichte der Wärmeübertragung
der siedenden Flüssigkeit bei Betriebsbedingungen,
Θ der festgelegte Temperaturabfall zwischen der Grundfläche und der Spitze eines Vorsprunges,
Θ der festgelegte Temperaturabfall zwischen der Grundfläche und der Spitze eines Vorsprunges,
während des Betriebes,
Φ der Nennwert der maximalen Wärmeflußdichte auf der der Wärmequelle zugewandten Seite der
Φ der Nennwert der maximalen Wärmeflußdichte auf der der Wärmequelle zugewandten Seite der
Wand,
k ein dimcnsionsloser, zwischen 1 und 2 wählbarer
k ein dimcnsionsloser, zwischen 1 und 2 wählbarer
Sicherheitsfaktor,
ρ ein dimensionsloser, zwischen 0,8 und 1,6
ρ ein dimensionsloser, zwischen 0,8 und 1,6
wählbarer Wirkungsgradfaktor
bedeuten und h, sa, si, c, Θ, Θ, q in Einheiten eines beliebigen, einheitlichen Maßsystems einzusetzen sind.
bedeuten und h, sa, si, c, Θ, Θ, q in Einheiten eines beliebigen, einheitlichen Maßsystems einzusetzen sind.
45
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Wärmeübertragung,
bestehend aus einer wärmeleitenden Wand, auf deren einer Seite sich eine Wärmequelle
befindet und deren andere Seite einer verdampfbaren Flüssigkeit ausgesetzt und mit streifenförmigem, im
Querschnitt dreieckförmigen Vorsprüngen versehen ist, die mit ihren Grundflächen aneinanderstoßen und deren
Seitenflächen während des Arbeitens der Wärmequelle hohe Temperaturgradienten aufweisen. Eine derartige
Anordnung ist aus der Fr-PS 11 26 414 bekannt. Bei dieser Anordnung nehmen die Vorsprünge im Betrieb
Temperaturen an, deren Werte im Bereich des abfallenden Teils der sogenannten Nukiyama-Kurve
liegen, ebenso wie bei einer Weiterbildung dieser Anordnung, die in der Zeitschrift »Revue Technique &o
C.F.T.H.«, 1956, Nr. 24, Seite 55 bis Seite 83, insbesondere Seite 58 bis Seite 60, beschrieben ist. Wesentliches
Merkmal der bekannten Anordnungen ist dabei die anisotherme Temperaturverteilung über die Seitenflächen
der Vorsprünge, derart, daß im tiefsten Punkt zwischen den Vorsprüngen Temperaturen herrschen,
die weit über der kritischen Temperatur, wie sie sich aus der Nukiyama-Kurve ergibt, liegen, während die außen
liegenden Scheitel oder Enden der Vorsprünge deutlich unter der kritischen Temperatur liegende Temperaturen
aufweisen, so daß die Anordnung unter stark anisothermen Bedingungen arbeitet.
Aus der BE-PS 6 27 931 ist es auch bereits bekannt, daß mit einer solchen Anordnung bis zu einem Kilowatt
Wärmeleistung je cm2 der Wärmeeintrittsfläche der Wand abgeführt werden kann, sofern die Zwischenräume
zwischen den Vorsprüngen als Nuten ausgebildet, sind, deren Breite kleiner als ein Drittel ihrer Tiefe ist
und die Breite der im Querschnitt dann etwa rechteckigen Vorsprünge der folgenden Beziehung
genügt:
b = m]/a · c ,
worin b die Tiefe der Nuten, a die Breite der Vorsprünge, c die Wärmeleitfähigkeit des verwendeten
Werkstoffes und m ein dimensionsloser Faktor in der Größenordnung von 1 bedeuten.
Die bereits erwähnte, bekannte Nukiyama-Kurve ist, weil für das Verständnis der Erfindung wesentlich,
nochmals in F i g. 1 der Zeichnung dargestellt, wobei als siedende Flüssigkeit Wasser bei atmosphärischem t.~
Druck angenommen wurde. if
In der Ordinate ist der Betrag der Wärmeübertragung pro Flächeneinheit, auch als Wärmeflußdichte bezeichnet,
in Watt pro cm2 angegeben, in der Abszisse die Oberflächentemperatur in 0C, von der Sättigungstemperatur
fs an (100° C in diesem Beispiel).
Die Kurve besteht im wesentlichen aus vier Abschnitten: Einer Zone A mit einem langsam
ansteigenden Ast, der in einem Kniepunkt N endet In dieser Zone erfolgt der Wärmeübergang durch normale
Konvektion, ohne daß die Flüssigkeit siedet. Einer Zone B mit einem zweiten, vom Kniepunkt N zu einer Spitze
Mstark ansteigenden Ast. In dieser Zone ist das Wasser
normalem, sogenanntem nucleatem Sieden unterworfen und ist der Betrag der Wärmeübertragung durch
Konvektion stark vergrößert. Die Kurve weist ferner eine dritte, eine Übergangszone darstellende Zone C
mit einem von der Spitze M zu einem Punkt L (welcher als Leidenfrost-Punkt bekannt ist) abfallenden Ast, und
eine vierte Zone D mit einem vom Punkt L ansteigenden Ast auf, in der die Verdampfung des
Wassers mehr durch sogenanntes Film-Sieden (spero- #^
idaler Zustand) als durch gewöhnliches, nucleates oder ^ Blasensieden, wie bei tieferen Oberflächentemperaturen,
erfolgt. Diese Darstellung läßt folgende Aufschlüsse zu: Ist irgendein Oberflächenelement auf einer genau
konstanten gewählten Temperatur gehalten, die auf der Abszisse ausgewählt werden kann und durch genaue
Steuerung der der Wand durch die Wärmequelle zugeführten Wärme erzielt wird, so bleibt "der Betrag
der Wärmeableitung im großen und ganzen konstant und entspricht dem entsprechenden Wert der Kurve auf
der Ordinate. In der Praxis freilich wird die Wärmeflußdichte durch die Wand von der Wärmequelle vorgegeben,
wobei unter diesen Bedingungen gefunden wird, daß in den zwei Zonen A und B der Betriebspunkt der
Kurve bis zur Spitze M folgt und dann vom Punkt M zu einem Punkt ζ) springt, der auf der gleichen Abszisse in
der vierten Zone D liegt. Dies entspricht einem Ansteigen der Oberflächentemperatur von ungefähr
125°C bis über 1000°C, wodurch normalerweise dem
Oberflächenmaterial der wärmeleitenden Wand nicht zubehebende Schaden zugeführt werden.
Dieser starke und plötzliche Temperaturanstieg oines
Teiles der Oberfläche des Kühlmediums, der die
verhältnismäßig niederen Temperaturen des kritischen Punktes M (125° C im Falle des siedenden Wassers bei
atmosphärischem Druck) weit übersteigt, bedingt somit eine irreversible Überhitzung, die als »burn-out«-Effekt
bezeichnet ist. Der kritische Punkt M der Nukiyama-Kurve ist daher auch als »burn-out«-Punkt bekanntgeworden.
Sobald der von der Wärmequelle zugeführte Wärmebetrag so groß ist, daß dadurch der »burn-out«-
Punkt an irgendeiner Stelle der Kühlungsflüssigkeit auch nur um einen äußerst geringfügigen Betrag
überschritten wird, entsteht ein »Hitzepunkt«, der den »burn-out«-Effekt und die Zerstörung der Oberfläche
nach sich zieht.
Bei den eingangs erwähnten bekannten Anordnungen kann nun der »burn-out«-Effekt durch die massiven
Vorsprünge vermieden werden, längs deren Oberfläche sich ein Temperaturgefälle ausbildet. Dieses Temperaturgefälle
liegt in einem Bereich, der Temperaturen von weit unterhalb bis weit oberhalb des kritischen Punktes
umfaßt, mit kühlen Stellen, in weichen gewöhnliche, nucleate Verdampfung oder Blasenverdampfung vorherrscht
(Zone B der Nukiyama-Kurve), bis zu heißen Stellen, deren Arbeitspunkt innerhalb der Übergangszone
(Zone C) liegt und, wenn erwünscht, mit sehr heißen Stellen, die in der Zone des Filmsiedens (Zone Djliegen.
Dieses Temperaturgefälle erwies sich als wirksam, die Spitze M zu stabilisieren sowie der Kurve in der
Übergangszone ML zu folgen, welche als instabil galt. Der Arbeitspunkt des Wärmeübergangs folgt dabei dem
absteigenden Ast der Kurve und zeigt nicht die Tendenz, unkontrolliert zu den nicht tolerierbar hohen
Temperaturen von mehr als 1000° C, die durch den Punkt Q dargestellt sind, zu springen, sobald die
Temperatur an irgendeiner Stelle sich dem kritischen Punkt M annähert, wie dies bei älteren Typen von
Verdampfungs-Kühlungssystemen, welche auf isothermen Lösungen beruhten, der Fall war.
Die Anordnung nach der schon erwähnten BE-PS 6 27 931, bei der zwischen den Vorsprüngen schlitzartige
Rillen vorgesehen sind, weist jedoch einige Nachteile auf. Diese liegen einerseits darin begründet, daß die
Herstellungskosten relativ hoch sind und daß die angeführten Beziehungen bei kleinen Anordnungen
manchmal nicht anwendbar sind. Darüber hinaus \ können sich, sofern nicht eine gereinigte Flüssigkeit
verwendet wird, in den engen Schlitzen Ablagerungen bilden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der einleitend angegebenen Gattung zu
schaffen, die für alle in Betracht kommenden Anwendungsfälle in ihren Eigenschaften und Abmessungen im
vorhinein genau errechenbar ist und dabei Wärmeflußdichten bis zu 1 kW/cm2 und darüber zuläßt, ohne auf
enge und tiefe Kanäle zwischen den Vorsprüngen zurückgreifen zu müssen.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches angegeben. Sie beruht auf der
experimentell gewonnenen Erkenntnis, daß unter anisothermen Bedingungen der wahre Verlauf der
Wärmeübertragungskurve in Abhängigkeit von der Temperatur im Übergangsbereich zwischen dem
kritischen Punkt M und dem Leidenfrost-Punkt wesentlich von dem bisher zugrtindegelegten Verlauf
der Nukiyama-Kurve abweicht.
Es wurde diesseits festgestellt, daß die Nukiyama-Kurve
im Falle anisothermer Wiinneübertragungsanordnungen der Art, auf die sich die Erfindung bezieht,
nur teilweise richtig ist. Die Abweichung von der bisher gültigen Theorie betrifft die sogenannte Übergangszone
zwischen dem kritischen Punkt M und dem Leidenfrost-Punkt L. Mittels Experimenten, bei denen
eine große Anzahl von kleinen Temperaturfühlern verwendet wurden, die in Bohrlöcher der Vorsprünge
einer anisothermen Wärmeübertragungsanordnung, insbesondere einer Anordnung der Art, wie sie in der
nachfolgenden Beschreibung dargestellt ist, eingesetzt wurden, wurde nachgewiesen, daß in einer Anordnung
ίο mit einem Temperaturgefälle, das die kritische Temperatur
des Punktes M enthält und in dem alle Temperaturen der Übergangszone gleichzeitig auftreten,
die übertragene Wärmeflußdichte φ nicht nur stabil ist, sondern wesentlich höher liegt als durch die
traditionelle Nukiyama-Kurve angegeben ist. Die tatsächliche Wärmeflußdichte ergibt dabei eine Kurve,
die in der Zeichnung, vom Punkt M bis zum Punkt L1
durch eine strichpunktierte Linie R angegeben ist.
Für diese Erkenntnis kann bisher keine theoretische Erklärung gegeben werden. Alles was bisher gesagt
werden kann ist, daß die erhöhte Fluß/Temperaturkurve R, zwischen den beiden Punkten Mund L, der normalen
physikalischen Situation entspricht, die in einem anisothermen System, das ein großes Wärmegefälle
aufweist, auftritt, sofern zwischen aneinanderliegenden Gebieten der anisothermen Oberfläche, in welchen
Temperaturwerte auftreten, die auf beiden Seiten der kritischen Temperatur M liegen, ein hinreichend
gleichmäßiger Übergang aufrechterhalten werden kann.
Unter diesen Gebieten sind solche verstanden, in welchen nucleates oder Blasensieden und solche, in
welchen Übergangssieden oder sogenanntes »semifiIm«-Sieden auftritt. Unter diesen Bedingungen stellt
die neue Kurve R ein Beispiel für die gesamten, zusammengesetzten Verdampfungsbedingungen dar,
die in einem anisothermen System tatsächlich auftreten. Die Kurve U hingegen, die durch frühere Arbeiten
bestimmt worden war, ist nur eine fiktive Kurve, die unter isothermen Oberflächenbedingungen durch eine
Serie von Flußmessungen bei unterschiedlichen Temperaturen ermittelt wurde. Diese Kurve hat jedoch
insofern keine physikalische Bedeutung, als sämtliche Punkte in einem anisothermen System niemals zugleich
miteinander auftreten können, es sei denn, das Temperaturgefälle an der Oberfläche ist sehr gering.
Wie immer auch die Theorie sein mag, steht fest, daß aufgrund dieser neuen Kurve R gegenüber der
althergebrachten Kurve U große Vorteile erzielt werden können, sofern dieser Kurve in einer praktisehen
Anordnung Gültigkeit verschafft werden kann. Der erste Vorteil liegt, wie schon oben dargelegt, in der
Stabilität. Der zweite Vorteil liegt in den wesentlich erhöhten Wärmeflußdichten, die im betreffenden
Temperaturbereich erzielt werden können und in der durch diese begründeten erhöhten Wärmeübertragungskapazität
der Anordnungen.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß die Verhältnisse dieser »totalen«
Verdampfungskurve R, in einer anisothermen Wärme-
ho Übertragungsanordnung wirkungsvoll und verläßlich
erzielt werden können, ohne daß dabei zwischen den einzelnen Vorsprüngen enge Rillen benötigt werden.
Vorausgesetzt ist nur, daß die Vorsprünge derart dimensioniert sind, daß sie, wird die Anordnung bei oder
(,·-> nahe den maximalen nominalen Wärmeübertragungsbedingungen betrieben, längs ihrer Oberflächen den
erforderlichen Temperaturabfall, der durch den nominalen Wärmeanfall auftritt, aufweisen und sie weiteis in
der Lage sind, die Wärme, die ihrer Grundfläche zugeführt wird, an die umgebende Flüssigkeit abzugeben.
Der Unterschied zwischen der hier vorgeschlagenen Anordnung und der Anordnung nach der BE-PS
6 27 931 besteht darin, daß bei der letzteren die gegenüberliegenden Oberflächen der engen Rillen
zusammenwirken, um die Wirbel zu erzielen, wogegen in der nunmehr vorgeschlagenen Anordnung dafür die
gegenüberliegenden Oberflächen jedes einzelnen Vorsprunges zusammenwirken. Es wird somit das gleiche
Resultat erzielt, ohne daß jedoch dafür zwischen den Vorsprüngen die unerwünschten, engen Rillen notwendig
sind.
Zusammenfassend sei bemerkt, daß der vorliegende Vorschlag auf der Entdeckung basiert, daß der
Wärmeübertragung zwischen einer Oberfläche und einer siedenden Flüssigkeit unter bestimmten Bedingungen
einem Wärmeübertragungsgesetz folgt, das in der sogenannten Übergangszone von dem klassischen
Gesetz, das durch die Nukiyama-Kurve gegeben ist, wesentlich abweicht. Dieses neue Gesetz ist insofern
besonders vorteilhaft als es sowohl stabile Betriebsverhältnisse als auch höhere Werte der Wärmeleistung
zuläßt. Bei der angegebenen Wärmeübertragungsanordnung sind die Vorsprünge derart dimensioniert, daß
nahe oder am Maximum der nominalen Beträge der Wärmezufuhr die Vorsprünge die Wirkung haben, von
ihren Spitzen mit großer Stärke Dampfstrahlen abzulassen. Sofern diese Betriebsverhältnisse vorherrschen,
wird das neue Gesetz der Wärmeübertragung für die Flächen der einzelnen Vorsprünge wirksam.
Der Gegenstand der Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die Nukiyama-Kurve mit dem bisher angenommenen und dem nunmehr für anisotherme Betriebsbedingungen
neu ermittelten Verlauf,
Fig. 2, 3 und 4 Querschnitt durch verschiedene Ausführungsformen der Vorsprünge nach der Erfindung
in vergrößertem Maßstab und
F i g. 5 die Verteilung von Flüssigkeit und Dampf bei einer Anordnung nach der Erfindung in schematischer
Vereinfachung.
In Fig. 5, die später noch ausführlich erläutert werden wird, ist der Verdampfungsverlauf der Anordnung
dargestellt, der unter der Voraussetzung gilt, daß maximale Wärmezufuhrbedingungen herrschen. Daraus
ist zu entnehmen, daß alle Vorsprünge, die im Querschnitt dreieckige Gestalt aufweisen, von ihrer
Spitze einen Dampfstrahl 14 abschießen. Dieser dauernd auftretende Dampfstrahl und die durch ihn
verursachten Wirbel haben zur Folge, daß der Rand des Dampffilmes, der sonst die Tendenz aufweist, die
Gebiete des Übergangs(semi-Film)-Sicdens von den anschließenden Gebieten des nucleaten Siedens abzutrennen,
auf jeder Seite der Oberfläche der Vorsprünge aufgerissen wird. Auf diese Weise wird auf allen Seiten
der Oberfläche zwischen den beiden Zonen des Temperaturgefälles der erforderliche Übergang erzielt,
welcher eine Vorbedingung zur Erreichung der Verhältnisse nach der verbesseiien, totalen Verdampfungskurve
/?ist.
Nachstehend ist die Dimensionierung dieser einzelnen
Vorsprünge näher erläutert.
In F i g. 2 ist eine der Wärmcübertragungsanordnungen
dargestellt. Diese Anordnung, die mit der Bezugsziffer 3 versehen ist, besteht aus einer im
allgemeinen flachen metallischen Wand 5, welche auf einer Seite mit Vorsprüngen 4 versehen ist. Diese mit
Vorsprüngen versehene Seite, die nachstehend als Außenseite bezeichnet ist, ist während des Betriebes
von siedender Flüssigkeit, z. B. Wasser, umgeben. Die Wärme, die abgegeben werden soll, wird der anderen
Seite, d.h. der Innenseite der Wand 5, deren Oberflächengestaltung nicht festliegt, zugeführt.
Die Vorsprünge 4 können in parallelen Reihen angeordnet sein, die aufeinander senkrecht stehen und
können Zwischenräume aufweisen, die den Vorsprüngen ähnliche Gestalt haben. Sie können insbesondere als
parallel verlaufende Rippen ausgeführt sein.
Wenn die Vorsprünge 4 auch verschiedene Querschnitte aufweisen können, von denen einige später noch erläutert werden, so ist wichtig, daß sie, zumindest über einen Teil ihrer Höhe, sich verjüngend ausgebildet sind, um auf diese Weise das oben erwähnte Ausschießen von Dampf von ihren Spitzen zu gewährleisten. Nach dem Beispiel der Fig.2 sind die Vorsprünge in mehrere Abschnitte unterteilt, in welchen sie sich in unterschiedlichem Maße verjüngen. Die Vorsprünge bestehen dabei aus einem unteren Kegelstumpf, der sich stark verjüngt, einem längeren mittleren Kegelstumpf, der sich geringer verjüngt und einem oberen Kegelstumpf, der sich wieder stark verjüngt. Die Grundflächen der Vorsprünge liegen im wesentlichen aneinander. Dies ist ein wesentliches Merkmal, da, wie dargelegt, die Vorsprünge und nicht die Rillen das Ausschießen des Dampfes bewirken. Würden die Grundflächen der Vorsprünge voneinander getrennt, würde dadurch die wirksame Oberfläche für die Wärmeübertragung verkleinert werden und dementsprechend auch die Wärmeübertragungskapazität der Anordnung vermindert werden.
Wenn die Vorsprünge 4 auch verschiedene Querschnitte aufweisen können, von denen einige später noch erläutert werden, so ist wichtig, daß sie, zumindest über einen Teil ihrer Höhe, sich verjüngend ausgebildet sind, um auf diese Weise das oben erwähnte Ausschießen von Dampf von ihren Spitzen zu gewährleisten. Nach dem Beispiel der Fig.2 sind die Vorsprünge in mehrere Abschnitte unterteilt, in welchen sie sich in unterschiedlichem Maße verjüngen. Die Vorsprünge bestehen dabei aus einem unteren Kegelstumpf, der sich stark verjüngt, einem längeren mittleren Kegelstumpf, der sich geringer verjüngt und einem oberen Kegelstumpf, der sich wieder stark verjüngt. Die Grundflächen der Vorsprünge liegen im wesentlichen aneinander. Dies ist ein wesentliches Merkmal, da, wie dargelegt, die Vorsprünge und nicht die Rillen das Ausschießen des Dampfes bewirken. Würden die Grundflächen der Vorsprünge voneinander getrennt, würde dadurch die wirksame Oberfläche für die Wärmeübertragung verkleinert werden und dementsprechend auch die Wärmeübertragungskapazität der Anordnung vermindert werden.
Um zu erzielen, daß die Vorsprünge in der gewünschten Weise von ihren Spitzen Dampf abschießen
und dabei der erwünschte gleichmäßige Temperaturabfall auf beiden Seiten der Vorsprünge gewährleistet
ist, müssen, wie festgestellt wurde, die sich verjüngenden Vorsprünge so dimensioniert sein, daß bei
Betrieb folgende Bedingungen erfüllt sind:
(i)Jeder Vorsprung muß hoch genug sein, um aufgrund der zugeführten Wärmedichte zwischen der Grundfläche
und der Spitze des Vorsprunges das erforderliche Temperaturgefälle aufrechtzuerhalten und muß
(2)die gesamte Oberfläche der Vorsprünge groß genug sein, um eine Abgabe des gesamten Wärmeflusses in die umgebende Flüssigkeit zu ermöglichen.
(2)die gesamte Oberfläche der Vorsprünge groß genug sein, um eine Abgabe des gesamten Wärmeflusses in die umgebende Flüssigkeit zu ermöglichen.
so Diese zwei Bedingungen können, wie nachstehend erläutert werden wird, mathematisch formuliert werden.
Die erste Bedingung ist, daß die Höhe b des
Vorsprunges groß genug sein muß, daß, wenn das Maximum der zugeführten Wärmeflußdichte Φ, die
abgestrahlt werden soll, der Grundfläche des Vorsprunges von der inneren Seite der Wand zugeführt wird,
genug Platz vorhanden ist, um zwischen der Basis 6 und der Spitze 7 des Vorsprunges das erwünschte
Temperaturgefälle ti—1\ = 0 zu ermöglichen. Diese
M) Bedingung kann auch wie folgt formuliert werden:
b = k ■ c
c1 isl darin der Würmeleilimgskoeffizient des Materials,
A-ein Sicherheilsfaktor gleich oder größer als !,der
jedoch den Wert 2 nicht erreicht. Der Wert (-), der die TemperaUirdifferenz während des Betriebes darstellt,
ist dabei in Abhängigkeit von der Art des Materials, von
der Art der Flüssigkeit und von den Druckverhältnissen gewählt. Dieser Wert sollte nicht wesentlich geringer als
die Differenz tL— Im der Übergangszone (siehe Fig. 1)
gewählt werden, um zu gewährleisten, daß ein hinreichend großes Temperaturgefälle vorhanden ist,
welches eine Voraussetzung für die ordnungsgemäße Funktion des anisothermen Verdampfungs-Kühlungssystems
ist. Andererseits kann Θ auch nicht wesentlich größer als die Differenz Il-U gewählt werden, da
ansonsten die maximale Temperatur ?2 im Metall an der
Grundfläche der Vorsprünge unnötig hoch ansteigen könnte.
Für den Fall, daß als Flüssigkeit Wasser bei atmosphärischem Druck gewählt ist, könnten, wie aus
der F i g. 1 ersichtlich ist, diese zwei Grenzwerte für Θ mit 80° C und 125° C angegeben werden. Es werden auch
noch dann zufriedenstellende Resultate erreicht, wenn die Temperaturdifferenz Θ, bei Wasser unter normalem,
atmosphärischem Druck, nur 50° C beträgt. Ist die Verdampfungsflüssigkeit nicht durch Wasser gebildet
und bzw. oder steht sie unter Druck, so kann die j Temperaturdifferenz Θ, wie später noch näher erläutert
werden wird, auch Werte annehmen, die außerhalb des Bereiches von 80° C bis 125° C liegen.
Die zweite oben erwähnte Bedingung wird aus dem Laplaceschen Gesetz der Erhaltung des Flusses, der
durch die Vorsprünge hindurchgeht, gewonnen.
Der Gesamtbetrag der Wärme, der in der Zeiteinheit, durch die Grundfläche 9 des Vorsprunges, wie durch den
Pfeil 10 angedeutet ist, eindringt, muß gleich dem Gesamtbetrag an Wärme sein, welcher, wie durch den
Pfeil 8 angegeben ist, von den Oberflächen der Vorsprünge an die umgebende Flüssigkeit abgegeben
wird. Der Gesamtbetrag der Wärme, der durch die Grundfläche des Vorsprunges eintritt, ist mit 53Φ
gegeben, wobei sa die Größe der Grundfläche 9 ist. Der
Gesamtbetrag der Wärme, der von der Oberfläche der Vorsprünge abgegeben wird, ist mit 5,· φι gegeben, wobei
s,- die Gesamtoberfläche der Vorsprünge und φι die
Flußdichte der abgehenden Wärme oder der Mittelwert des Wärmeabflusses, bezogen auf die Flächeneinheit der
Oberfläche eines Vorsprunges ist. Die Größe φι ist , nachstehend noch näher erläutert. Die zweite Bedingung
muß somit besagen, daß die Gesamtoberfläche 5/ groß genug sein muß, um durch sie hindurch ein
Ausströmen der gesamten Wärme im Betrag φι zu
ermöglichen, sobald die Wärme im angegebenen nominalen Betrag Φ durch die Grundfläche mit der
Ausdehnung sa in den Vorsprung eindringt. Diese Bedingung kann durch folgende Formel dargestellt
werden:
<n
(2)
Die abgehende Wärmeflußdichte φι erscheint in der
Kurve der Fig. 1 als der Mittelwert der Flußdichte des maßgeblichen Temperaturbereiches h—t\, wobei die
modifizierte Wärmeübertragungskurve R zugrundegelegt ist. Somit ist der theoretische Wert für φι durch
folgende Formel gegeben:
= ' . (V
tz-h Jd
tz-h Jd
(Kurve/?)'
In der Praxis und da es keine Methode gibt, φι durch
die Temperaturen U und t2 zu bestimmen, hat es sich als
hinreichend erwiesen, den Wert φ( durch die Flußdichte
q, in Übereinstimmung mit dem kritischen Punkt der Nukiyama-Kurve anzugeben und wie folgt zu kennzeichnen:
■> q>\ = pq.
worin ρ ein numerischer Faktor ist, der im Bereich 0,8 bis 1,6 (im allgemeinen nahe 1) liegt — er wird später
noch eingehender diskutiert werden —, während ς, der
ίο Wert der kritischen Flußdichte, von der Art und den
Druckverhältnissen der verwendeten Flüssigkeit abhängt und entsprechenden Standardwerken entnommen
werden kann (q = 135 W/cm2 für Wasser bei atmosphärischem Druck).
Die obige Bedingung kann somit wie folgt umgeformt werden:
pq
(H)
Es sei bemerkt, daß die Werte b, S2,5/, cund Θ, Φ und q
in den Gleichungen (I) und (II) in jedem beliebigen einheitlichen Maßsystem angegeben werden können.
Es ist zu bemerken, daß der Koeffizient k in den Gleichungen (I) und (II), unter idealen Bedingungen, gleich der Einheit gewählt werden kann. Daß k normalerweise größer als 1 gewählt wird, liegt darin begründet, einen gewissen Sicherheitsfaktor zu erhalten, um Unsicherheitsfaktoren wie eine schadhafte Oberfläche der Anordnung, eventuelle Überlastungen im Betrieb u. dgl. zu berücksichtigen. Wird k etwas größer als 1 gewählt, so bedeutet dies, daß die Vorsprünge etwas größer ausgebildet sind als unter idealen Bedingungen unbedingt notwendig wäre, wodurch die Betriebssicherheit der Anordnung, nicht jedoch deren Wirksamkeit, erhöht wird. Eine obere Grenze des Sicherheitsfaktors k ist im wesentlichen durch bauliche und wirtschaftliche Überlegungen gegeben. Es wurde in der Praxis gefunden, daß eine solche obere Grenze vorteilhafterweise mit dem Wert 2 angenommen werden kann. Die Höhe b des Vorsprunges und das Verhältnis der Flächen si/sa über das zweifache theoretische Minimum zu vergrößern, wäre nicht nur sinnlos, da dadurch die Wärmeabgabekapazitat der Anordnung nicht verbessert würde, sondern auch unwirtschaftlich und würde die Temperatur ?2 erhöhen.
Es ist zu bemerken, daß der Koeffizient k in den Gleichungen (I) und (II), unter idealen Bedingungen, gleich der Einheit gewählt werden kann. Daß k normalerweise größer als 1 gewählt wird, liegt darin begründet, einen gewissen Sicherheitsfaktor zu erhalten, um Unsicherheitsfaktoren wie eine schadhafte Oberfläche der Anordnung, eventuelle Überlastungen im Betrieb u. dgl. zu berücksichtigen. Wird k etwas größer als 1 gewählt, so bedeutet dies, daß die Vorsprünge etwas größer ausgebildet sind als unter idealen Bedingungen unbedingt notwendig wäre, wodurch die Betriebssicherheit der Anordnung, nicht jedoch deren Wirksamkeit, erhöht wird. Eine obere Grenze des Sicherheitsfaktors k ist im wesentlichen durch bauliche und wirtschaftliche Überlegungen gegeben. Es wurde in der Praxis gefunden, daß eine solche obere Grenze vorteilhafterweise mit dem Wert 2 angenommen werden kann. Die Höhe b des Vorsprunges und das Verhältnis der Flächen si/sa über das zweifache theoretische Minimum zu vergrößern, wäre nicht nur sinnlos, da dadurch die Wärmeabgabekapazitat der Anordnung nicht verbessert würde, sondern auch unwirtschaftlich und würde die Temperatur ?2 erhöhen.
In F i g. 3 ist eine einfache Ausführungsform angegeben, in der die Vorsprünge im Querschnitt dreieckig
ausgebildet sind und ihre Grundflächen aneinanderliegen. Auch hier wieder können die Vorsprünge als
Pyramiden mit quadratischer Grundfläche ausgebildet sein und in zwei aufeinander senkrechten Reihen
stehend angeordnet sein oder sie können, was an sich vorzuziehen ist, als längliche, zueinander parallel
stehende, prismatische Rippen ausgebildet sein.
Die zweite Bedingung (II) kann dann in etwas spezifizierter Form geschrieben werden. Unter Verwendung
der Größen, die in F i g. 3 angegeben sind, ergibt sich folgende Beziehung:
A= b
su α sin α '
wobei die Größe a in der gleichen Einheit ausgedrückt ist wie die Größe b.
Diese Beziehung gilt sowohl für den Fall, daß die Vorsprünge dreieckige Prismen, wie auch daß sie
Pyramiden mit quadratischer Grundfläche sind. Sie gilt
909 524/3
deshalb auch für den letzteren Fall, da alle vier dreieckigen Seitenflächen einer derartigen Pyramide
eine Fläche aufweisen, die mit ab/sin oc, gegeben ist, so
daß die gesamte Oberfläche s/ = 4ab/s\n <x und die
Grundfläche S3 = 4a2 beträgt.
Die Beziehung (II) wird somit zu
b j Φ
asm α.
pq
b , Φ
- = k— .
α pq
α pq
(III)
Wird die Größe b aus den Gleichungen (Γ) und (III)
eliminiert, so nimmt die letzte Ungleichung folgende Form an:
02 - -
(HI')
10
sin α kann hierbei der Einfachheit halber den Wert 1
annehmen, da das Verhältnis der Flächen si/sa in einem
Hochleistungssystem relativ groß ist und der Winkel <x in der Größenordnung von 60° liegt. Eine derartige
Annäherung bedeutet nur, daß der Sicherheitsfaktor etwas geändert wird. Die sich daraus ergebende
vereinfachte Gleichung lautet wie folgt:
20
Es ist klar, daß die Gleichungen (I) und (II) oder (I) und (III) alternativ als unabhängige Ungleichungen geschrieben
werden können, die die möglichen Werte für die Größen b und s/sa oder b und a angeben. Daraus ergibt
sich, daß die Gleichung (I) wie folgt umformuliert werden kann:
30
35
Diese Beziehungen liefern somit eine brauchbare Hilfe, die Höhe b und den Abstand 2a der dreieckigen
Vorsprünge, die für irgendwelche vorgegebene Bedingungen benötigt werden, anzugeben.
Es sei bemerkt, daß im Falle des dreieckigen Querschnittes, der in Fig.3 dargestellt ist, wobei die
Vorsprünge, wie oben angegeben, prismatische Rippen sind, die Flußdichte der Wärmeabgabe ψ\ = ρ q über
die Länge /der Seitenflächen der Rippen gleichförmig ist, wodurch auch das Temperaturgefälle entlang der
Seitenfläche gleichförmig ist. Die Flußlinien 11 der der Basis des Dreiecks zugeführten Wärme werden über die
geneigten Seitenflächen der Rippen gleichmäßig verteilt, wobei die Temperatur längs dieser Seitenflächen
linear von t2 auf fi abfällt. Da gerade diese gleichmäßige
Temperaturverteilung erwünscht ist, ist die dreieckige Ausbildung der Vorsprünge eine bevorzugte Ausführungsform.
Aus fertigungstechnischen Gründen ist es wünschenswert, die Kanten an der Basis und die Spitze der
Vorsprünge, wie dies in F i g. 4 der Zeichnung dargestellt ist, abzurunden. Die Dimensionsverhältnisse
beziehen sich dabei auf die Kontur, die durch die Verbindungslinien der Mittelpunkte der Abrundungskurven
12 und 13 an der Basis und der Spitze des Vorsprunges definiert ist und die durch strichlierte
Linien dargestellt ist. Die Abrundungen der Ecken vermindern allerdings die Bereiche, über welche der
erwünschte Temperaturabfall verteilt werden kann. Da jedoch die Größe b der oben angegebenen Formeln
zwischen den Mittelpunkten der Kurven 12 und 13 gemessen ist, wie aus der Fig.4 ersichtlich ist, ist die
effektive Höhe des Vorsprunges tatsächlich etwas größer als durch den theoretischen Wert gegeben und
wird somit durch diese Vergrößerung der effektiven Höhe des Vorsprunges der Verlust an Oberfläche
kompensiert; auch ist, obwohl die Ecken abgerundet sind, der notwendige Abstand zur Ausbildung des
Temperaturgefälles gegeben.
Anhand der F i g. 5 wird nunmehr die Wirkungsweise der wärmeverteilenden Vorsprünge näher erläutert. Da
die Vorsprünge derart dimensioniert sind, daß die Bedingungen entsprechend der Formel (I) eingehalten
ist, weisen bei nominalen Betriebsbedingungen, die zumindest annähernd an das Maximum der Wärmeabgabe
herankommen, die Basis und die Spitze der Vorsprünge die Temperaturen ?2 und t\ auf, wobei
h—1\ — Θ ist. Dabei liegt die Temperatur t\ der Spitze
geringfügig unterhalb der Temperatur des kritischen Punktes M(Fig. 1). Die Temperatur t\ der Spitze liegt
somit in der Zone »B«des nucleaten oder Blasensiedens,
vorzugsweise nahe der oberen Grenze dieser Zone, in der die Dampfblasen die Tendenz zeigen, sich zu großen
Blasen zu vereinigen, in der sogenannten Verschmelzungszone. Da dies für die Seiten der Vorsprünge
beiderseits der Spitze gilt, bilden sich an den oberen Enden beider Seitenflächen der sich verjüngenden
Vorsprünge große Dampfblasen aus, die eine Dampfsäule bilden, welche von der Spitze des Vorsprunges als
Dampfstrahl 14 mit starker Kraft abgeblasen wird. Dieser Dampfstrahl 14 hat den Effekt, in die die
Vorsprünge umgebende Flüssigkeit sozusagen Löcher zu bohren.
Gleichzeitig hat sich auf der gesamten Oberfläche der Vorsprünge ein zwischen der Temperatur fc an der
Basis, welche normalerweise der Leidenfrost-Temperatur tu angenähert ist und der Temperatur ii der Spitze,
welche unterhalb der kritischen Temperatur t\t liegt,
liegendes Temperaturgefälle ausgebildet. Aus diesem Grunde ist, wie bei einer Seite eines Vorsprunges in
F i g. 5 gezeigt, ein wesentlicher Bereich jeder Oberfläche dem Übergangs- oder »semi-film«-Sieden ausgesetzt,
die Siedeart die durch die Zone Cder F i g. 1 erfaßt ist, wogegen ein geringerer Bereich der Oberfläche, und
zwar der an der Spitze liegende, dem Verschmelzungsblasensieden, erfaßt durch die Zone B, ausgesetzt ist. Die
Temperatur der Grenze dieser beiden Bereiche entspricht der Temperatur des kritischen Punktes M.
Die infolge der oben erwähnten Dampfstrahlen 14 intensive lokale Wirbelbildung an den oberen Teilen der
Vorsprünge trägt zur Aufrechterhaltung des stabilen Temperaturgefälles bei, da durch sie der Rand des
Dampffilmes, welcher sich sonst beim kritischen Punkt M bilden und eine Trennung zwischen dem Übergangssieden
der Zone C und dem nucleaten Sieden der Zone B bewirken würde, aufgerissen wird. Auf diese Weise
wird zwischen diesen beiden Bereichen der erwünschte Übergang erzielt, der, wie früher angegeben ist, eine
unbedingte Voraussetzung für die Aufrechterhaltung eines stabilen Temperaturgefälles ist.
Physikalisch wird dies im Punkt M dadurch erzielt, daß durch das dauernde Aufreißen des sich an diesem
Punkt bildenden Dampffilmes ein Ausströmen dieses Dampffilmes 15 der Übergangszone C, durch das
nucleate Sieden der Zone B hindurch zu den Bohrungen, die durch die Dampfstrahlen 14 gebildet werden,
ermöglicht ist. Der Dampffilm 15 wird somit in der Zone C dauernd zerstört und kann die enge Berührung
ti
zwischen der Flüssigkeit 16 und der metallischen Oberfläche 17 des Vorsprunges nicht behindern. Auf
diese Weise werden somit diejenigen Bedingungen erzielt, welche früher als unbedingt notwendig und
hinreichend angegeben wurden, um zu gewährleisten, daß der Prozeß der erhöhten Wärmeübertragungskurve
R der F i g. 1 folgt, wodurch der Vorteil der Stabilität und der wesentlich verbesserten Wärmeübertragung
erzielt wird. Hierzu trägt auch die verbesserte Flüssigkeitszirkulation bei, da der Dampf die Nuten
nicht vollständig ausfüllt, so daß die Flüssigkeit 18 radial einströmen kann, wie durch die Pfeile 30 angedeutet.
Durch einen derartigen Strömungsverlauf wird eine ruhige Flüssigkeitsströmung mit ausgeprägten und
getrennten Pfaden für das Einfließen der Flüssigkeit und das Abströmen des Dampfes gewährleistet.
Nachstehend werden nunmehr einige Angaben betreffend die Parameter, welche in den dargelegten
Beziehungen auftreten, gemacht. Der Faktor ρ ist gleich dem Verhältnis ψ\/η, nämlich der tatsächlich auftretenden
Dichte der Wärmeabgabe und der mittleren kritischen Flußdichte, wie sie durch die Nukiyama-Kurve
angegeben wird. Wie schon früher angegeben wurde, kann die kritische Flußdichte q für verschiedene
Flüssigkeiten und für beliebige Druckverhältnisse aus verfügbaren Tabellen entnommen oder aus Formeln,
z. B. der Kutadeladze-Formel abgeleitet werden. Der Faktor ρ ist seiner Natur nach ein Wirkungsgradfaktor.
Er kann normalerweise, sofern die obere Temperatur ί2,
die Temperatur der Basis der Vorsprünge, nahe dem Leidenfrost-Punkt liegt, gleich der Einheit gewählt
werden, wird aber vorzugsweise leicht darunterliegend, z. B. mit 0,8 oder 0,9 gewählt, wenn das genannte
Maximum der Temperatur i2 oberhalb der Leidenfrost-Temperatur
ti liegt. Für den Fall, daß der Temperaturgradient
QIb, der sich im Betrieb längs der Flanken der
Vorsprünge ausbildet, relativ groß ist, z. B. größer als 200°C/cm, wurde gefunden, daß der Wirkungsgradfaktor
ρ größer als 1 gewählt werden kann und dabei auch den überraschend hohen Wert von 1,5 bis 1,6 annehmen
kann. Trotzdem liegt der bevorzugte Bereich des Wirkungsgradfaktors zwischen den Werten 0,8 und 1,2.
Die Abweichung des Wirkungsgradfaktors von seinem üblichen Wert 1 ist eine Folge der Tatsache, daß der
wahre Wert der Flußdichte der abgehenden Wärme φι,
tatsächlich eine Funktion des Temperaturabfalles h-t\ = Θ ist, wie das durch die Integralgleichung (3)
ausgedrückt ist, und nicht eine konstante Größe, wie dies der Einfachheit zur Gewinnung der Beziehungen (I)
und (II) angenommen wurde.
Zur Bestimmung des betriebsmäßigen Temperaturabfalles Θ = ί2 — fi kann die tiefere oder die Temperatur
an den Spitzen, bei den gewählten Druckverhältnissen normalerweise gleich der Sättigungstemperatur U der
Kühlungsflüssigkeit, d.i. t\ = 100°C, sofern als Flüssigkeit
Wasser gewählt ist und atmosphärischer Druck herrscht, angenommen werden, wodurch β = f2 — ts ist.
Die höhere oder die Temperatur Z2 der Basis sollte,
wie aus früheren Erläuterungen zu entnehmen ist, nahe dem Leidenfrost-Punkt fi. (das ist 225°C für Wasser bei
normalem Druck) liegen. Wenn f2 zu hoch oberhalb des Leidenfrost-Punktes gewählt wird, nimmt der Mittelwert
von q>\ ab. Normalerweise wird der Temperaturabfall
β in einem Bereich zwischen 50° C und 150° C liegen.
Für Wasser bei Normaldruck liegt ein bevorzugter Bereich für Θ zwischen 80° C und 120° C.
Der diesseitige Vorschlag ermöglicht es, erfolgreich wesentlich höhere Beträge an Wärme abzuleiten als
dies mit Hilfe von bisher bekannten Anordnungen möglich war. Insbesondere können auch Beträge von Φ
mit den bemerkenswert hohen Werten von 1000 W/cm2 abgeleitet werden. Obgleich die Erfindung selbstverständlich
auch für Anordnungen mit niederen und mäßigen Werten der auftretenden Wärme, mit Ausnahme
von ganz bestimmten Anwendungen, von denen später noch gesprochen werden wird, verwertet werden
kann, besteht dennoch nur geringes Interesse, sie bei solchen Kühlungssystemen anzuwenden, deren anfallende
Wärmeflußdichte den Wert von 200 W/cm2 nicht überschreitet. In Werten der kritischen Flußdichte q
ausgedrückt bedeutet dies, daß die Anwendung für Kühlungszwecke bei auftretender Wärme mit einer
Flußdichte Φ, die im Bereich von 1,5 q bis 6 q liegt, von
besonderer Bedeutung ist. Es ist klar, daß für größere Wärmemengen der Wert von q vorzugsweise durch
Vergrößerung des Druckes, dem die Flüssigkeit unterworfen ist, erhöht werden kann.
Die Verdampfungsflüssigkeit kann sich im allgemeinen im Gehäuse der Wärmeableitungsanordnung
insoweit in Ruhe befinden als nur eine durch die Wärmedifferenzen bedingte Zirkulation auftritt. Es
können aber auch Mittel vorgesehen werden, um eine Zirkulation der Flüssigkeit zu erzwingen. Sofern große
Anordnungen vorliegen und hohe Wärmemengen anfallen, wird die Flüssigkeit vorteilhafterweise zirkulieren
gelassen, wobei vorzugsweise gleichzeitig auch der Druck erhöht wird. Die Strömung ist dabei so gering
gehalten, daß ein größerer Teil des sich bildenden Dampfes kondensiert wird. Dadurch wird auch das
radiale Einströmen der Flüssigkeit in die zwischen den Vorsprüngen liegenden Kanäle, wie dies oben dargelegt
wurde, erleichtert.
Nachstehend sind einige Beispiele mit entsprechenden Zahlenangaben für die oben beschriebenen
Dampfkühlungssysteme angeführt.
In einer Kühlungsanordnung geringer Leitung für einen Dieselmotor war es notwendig, Wärme mit der
Flußdichte von Φ = 250 W/cm2 abzuleiten. Es wurden dabei Gußeisen als Wandmaterial und natürlich
zirkulierendes Wasser als Verdampfungsflüssigkeit gewählt, wobei atmosphärischer Druck herrschte. Bei
Verwendung von rippenartigen Vorsprüngen mit den in F i g. 3 dargestellten, dreieckigen Querschnitten, einem
Temperaturabfall Θ = 100° C, einem Wirkungsgradfaktor
p=l und unter Berücksichtigung, daß die Wärmeleitfähigkeit von Gußeisen mit c = 0,5 W/cm°C
gegeben ist, ergab die Anwendung der Gleichungen (I) und (II) oder (III) für einen Sicherheitsfaktor von
k= 1,5 folgende Werte:
b = 0,3 cm und 2a = 0,22 cm .
Wenn der Faktor sin α eingesetzt wird, kann die Größe
2a bis auf 0,25 cm ansteigen.
In einer Kühlungsanordnung für eine Hochleistungs-Vakuumröhre mit einer Leistung von 170 kW und einer
Anodenfläche von 155 cm2 ergab sich die Notwendigkeit, 1100 W/cm2 über ein großes Gebiet zu verteilen. Es
wurde dafür eine Wärmeableitungsanordnung aus Kupfer (c = 3,7 W/cm°C), mit erzwungener Wasserzirkulation
und einem Druck von 3,5 bar vorgesehen. Dabei wurden weiters rippenartige Vorsprünge mit im
wesentlichen dreieckigem Querschnitt angeordnet.
Aufgrund der erzwungenen Strömung der Flüssigkeit und der Rekondensierung des Dampfes konnte ein
großer Temperaturabfall von Θ = 1500C zugelassen werden. Die Gleichung (I) lieferte für die Höhe b der
Vorsprünge folgenden Wert:
/3 = Jt - 3,7 ·
150
TTÖÖ
TTÖÖ
= 0,5 k .
Da vorausgesetzt wurde, daß die Anordnung während des Betriebes auch kurzzeitige, beträchtliche
Überlastungen aufnehmen soll, wurde in diesem Beispiel der Sicherheitsfaktor mit k — 2 angenommen. Daraus
ergab sich für die Höhe der Vorsprünge folgender Wert:
b = 0,5 · 2 = 1 cm.
Für den Druck des Verdampfungsmediums (3,5 bar) ergab sich bei Wasser für die kritische Flußdichte q, wie
z. B. aus der bekannten Katadeladze-Formel zu bestimmen ist, der Wert ς = 300 W/cm2 0C. Der
Wirkungsgradfaktor ρ ist in diesem Fall nahe seiner oberen Grenze gewählt, da ein hohes Temperaturgefälle
auftritt und die Kondensation bei einer Strömung von unterkühltem Wasser einen begünstigenden Einfluß
ausübt. Aus diesem Grunde wurde für ρ der Wert 1,5 gewählt. Aus der Gleichung (IIP) ergibt sich somit für
die Breite ö°r Basis eines Vorsprunges der Wert
2a = 0,37 . ,.
Wie Versuche ergeben haben, waren Anordnungen, die in Übereinstimmung mit diesem Beispiel bestimmt
wurden, ohne Schwierigkeit in der Lage, die angegebene Wärmeleitung unter stetigen Betriebsverhältnissen
auch bei zeitweisen Überlastungen verläßlich aufzunehmen, was durch den hohen Wert des Sicherheitsfaktors
k = 2 ermöglicht war. Die Betriebscharakteristiken dieser Anordnungen sind insofern im Vergleich zu
bisher bekannten Kühlungsanordnungen besonders bemerkenswert, als der Wärmewiderstand bei einem
Nennwert der Flußdichte von mehr als 1 kW/cm2, unter Verwendung von Wasser mit relativ geringer Zirkulation
(weniger als 0,5 l/min pro kW übertragener Wärme) und unter begrenztem Druck (3,5 bar) nur
0,2° C cm2/W beträgt.
Ein besonderer Vorteil der Anordnung ist darin zu sehen, daß sie einen hohen Grad von Selbstreinigung
aufweist, da sie jederzeit sämtliche Ablagerungen oder Krusten, die sich sonst insbesondere bei hartem Wasser
bilden, sofort beseitigt.
Andere Beispiele
Wärmeleitungsanordnungen der vorgeschlagenen Art sind über einen weiten Bereich von Bedingungen
anwendbar, wobei auch die Vorsprünge oder Zähne in ihrem Dimensionen stark verändert werden können.
Aus diesem Grunde wird bei schwach wärmeleitfähigen Materialien, wie z. B. rostfreiem Stahl (c = 0,2 W/
cm°C), bei einem Temperaturabfall θ im bevorzugten
Bereich und einer nominalen Flußdichte Φ in der Größenordnung von 500 W/cm2 an der Wärmeeintrittsseite
der Wert b, geringer als 0,1 sein. Solche Anordnungen sind z. B. für Dampfgeneratoren, die
siedendes Wasser unter hohem Druck, z. B. 70 bar, das eine Sättigungstemperatur ts von 285° C aufweist, gut
verwendbar.
Anordnungen der vorgeschlagenen Art können auch gut in chemischen Verfahren, z. B. als Verdampfer von
Flüssigkeiten (z. B. Chlor-Trifluorverbindungen) ver-
wendet werden, die eine geringe chemische Stabilität und schlechte Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen,
sowie bei welchen eine sehr geringe kritische Flußdichte q vorliegt und die infolgedessen nur sehr
geringe Temperaturabfälle, z. B. Θ = 200C, erlauben.
Für solche Zwecke können Verdampfer aus rostfreiem Stahl entworfen werden, die bei einer Wärmeübertragung
von 10 W/cm2 betrieben werden, wobei die Höhe
der Vorsprünge mit b = 0,5 cm gegeben ist.
Es ist klar, daß unter den Betriebsverhältnissen mit geringen eintretenden Wärmemengen, wie dies in
diesem Beispiel der Fall ist, die Gleichung (I) von besonderer Bedeutung ist, wogegen die Gleichungen (II)
oder (III) relativ uninteressant sind.
Im allgemeinen Fall hingegen und insbesondere bei hohen Wärmeleistungen sind die angegebenen Beziehungen
von großer Bedeutung. Wenn diesen angegebenen Bereichen nicht gefolgt wird, zeigt sich, daß die
angegebenen Werte hoher Wärmeübertragung nicht zu erreichen sind.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Anordnung zur Wärmeübertragung, bestehend aus einer wärmeleitenden Wand, auf deren einer Seite sich eine Wärmequelle befindet und deren andere Seite einer verdampfbaren Flüssigkeit ausgesetzt und mit streifenförmigen, im Querschnitt dreieckförmigen Vorsprüngen versehen ist, die mit ihren Grundflächen aneinanderstoßen und deren Seitenflächen während des Arbeitens der Wärmequelle hohe Temperaturgradienten aufweisen, d a durch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (4) nach folgenden Beziehungen ausgelegt sind:15b = k-c(D
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