DE1501485B2 - Siedekühlvorrichtung - Google Patents

Description

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Vorsprünge aufweisenden Wärmeaustauschwand in einem Siedekühlgefäß bekannt, in dessen Deckel ein mit dem Raum oberhalb der Kühlflüssigkeit in Verbindung stehender elastischer Balg angeordnet ist, welcher bei einem unzulässigen Druckanstieg einen elektrischen Kontakt betätigt. Dieser elastische Balg hat demnach nicht den Zweck, die im laufenden Betrieb der Vorrichtung auftretenden raschen Druck- und Volumenänderungen auszugleichen, zumal die vorstehend im einzelnen beschriebenen Ursachen für die auftretenden Instabilitäten seinerzeit noch nicht bekannt waren.

Aus den USA.-Patentschriften 12 27 404 und 30 43 900 sowie aus der britischen Patentschrift 6 35 541 sind im übrigen auch noch ölgefüllte Transformatorengehäuse bekannt, die in ihrem Inneren Ausgleichskörper ausdehnbaren Volumens enthalten, die zumindest teilweise aus einem elastischen Werkstoff bestehen. Einerseits steht das Innere dieser Ausgleichskörper jedoch entweder mit dem Raum oberhalb der Flüssigkeit oder der Flüssigkeit selbst oder schließlich mit der Atmosphäre in Verbindung und andererseits handelt es sich bei diesen bekannten Vorrichtungen nicht um Siedekühlvorrichtungen, so daß die einleitend geschilderten Probleme sich dort gar nicht ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Siedekühlvorrichtung der einleitend angegebenen Art zu schaffen, bei der der Siedekühlvorgang auch bei sehr hohem Wärmefluß durch die Wärmeaustauschwand, d. h. auch bei entsprechend intensiver Rückkondensation, unter relativ stabilem Druck in der Kühlflüssigkeit abläuft.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einen Teil des Innenraums des Siedekühlgefäßes mindestens ein Ausgleichskörper ausdehnbaren Volumens einnimmt, der aus einer dichten Hülle aus einer ein abgeschlossenes, weder mit der Kühlflüssigkeit noch mit deren Dampf in Verbindung stehendes Volumen umschließenden, zumindest teilweise biegsamen Wandung besteht und mit einer geringen Gasmenge in solchem Maß gefüllt ist, daß der Ausgleichskörper bei dem in dem Siedekühlgefäß herrschenden mittleren Druck und der entsprechenden Temperatur nur einen Teil seines vollen Volumens einnimmt.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Siedekühlvorrichtung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Dabei kann der Ausgleichskörper sowohl bei völlig geschlossenen Siedekühlgefäßen als auch bei mit Umstrom betriebenen Siedekühlvorrichtungen verwendet werden. Bei den ersteren läßt er sich beispielsweise in der Nähe des Nebenwärmetauschers anordnen und kann von der primären Wärmeaustauschwand durch eine Aufteilwand getrennt sein; seine Wirksamkeit bleibt jedoch gewöhnlich ausreichend, wenn er in einem abnehmbaren, als Verschluß dienenden Teil des Siedekühlgefäßes angeordnet ist. Bei den mit Umstrom arbeitenden Wärmetauschern läßt sich der Ausgleichskörper vorzugsweise in einem Abteil vorsehen, dessen Aufteilwand mit der Wärmeaustauschwand den Kühlflüssigkeits-Strömungsraum bildet und mit letzterem an Stellen in Verbindung steht, die entweder gegenüber der Wärmeaustauschwand oder nahe dem Austrittsbereich der Kühlflüssigkeit liegen.

Bei der Siedekühlvorrichlung gemäß der Erfindung hat der Innenraum des Siedekühlgefäßes einen Rauminhalt, der infolge der Anwesenheit des Ausgleichskörpers veränderbar ist. Dies hat zur Folge, daß die Größe der momentanen Druckänderungen vermindert wird, die sich aus zufälligen Änderungen der eingeschlossenen Dampfmenge ergeben. Hierbei kompensiert die Volumenverringerung des Ausgleichskörpers die VoIumenzunahme, die durch Verdampfung von Kühlflüssigkeit an der Wärmeaustauschwand entsteht. Die Ausdehnung des Ausgleichskörpers kompensiert umgekehrt die Volumenverringerungen, die infolge der Kondensationsvorgänge eintreten. Dabei verläuft die Verdampfung verhältnismäßig stabil und regelmäßig. Hingegen verläuft die Kondensation instabil, plötzlich und unregelmäßig und führt zu abrupten Druckschwankungen, die ihrerseits der Stabilität der Verdampfung abträglich sind. In beiden Fällen dämpft die Volumenänderung des Ausgleichskörpers die unerwünschten Druckschwankungen. Aus dem Vorstehenden ergibt sich jedoch, daß es vor allem die Ausdehnungen des Ausgleichskörpers sind, die am meisten zu einer Stabilisierung der Verdampfung beitragen. Aus diesem Grund ist auch die dichte Hülle des Ausgleichskörpers so ausgelegt, daß er unter den normalen Betriebsbedingungen nicht ein volles Volumen einnimmt.

Auf Grund dieser vorteilhaften Ausbildung erlaubt es auch die Siedekühlvorrichtung nach der Erfindung, die maximale Wärmeabgabeleistung der am meisten bekannten, mit Oberflächensiedung arbeitenden Wärmetauscher, bei denen die Wärmeaustauschwand mit netzartig verteilten wärmeabgebenden Vorsprüngen solcher Abmessungen ausgestattet ist, daß die Gefahr des Auftretens des Leidensfrostschen Phänomens vermieden wird, ganz beträchtlich zu steigern, beispielsweise zu verdoppeln. Es lassen sich gemäß der Erfindung auch tatsächlich diese Wärmetauscher bestimmter, theoretisch günstiger, jedoch bisher illusorischer Abmessungen sowie mit einer in unmittelbarer Nähe der Wärmeaustauschwand mit großer Geschwindigkeit vorbeiströmenden Kühlflüssigkeit mit Vorteil verwenden, deren Temperatur um mehrere zehn Grad unter ihr Sättigungstemperatur bei dem herrschenden Druck beträgt. Ein weiterer besonderer Vorteil des Wärmetauschers nach der Erfindung besteht darin, neuartige Ausführungsformen zuzulassen, die unabhängig von der Schwerkraft betrieben werden können, Anordnungen, deren bekannte Formen bisher nur in bestimmter Lage sich betreiben lassen.

In der Zeichnung sind Wärmetauscher der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Art in mehreren beispielsweise gewählten Ausführungsformen schematisch veranschaulicht. Es zeigen

F i g. 1 bis 4 Ausführungsbeispiele von Wärmetauschern, bei denen das Siedekühlgefäß völlig geschlossen ist,

F i g. 5 und 6 Ausführungsbeispiele mit Kühlflüssigkeitsumlauf.

F i g. 1 stellt in einem axialen Längsschnitt eine Wärmetauscher gemäß der Erfindung dar, der dazu bestimmt ist, durch Oberflächensieden in einem völlig geschlossenen Siedekühlgefäß einen heißen Körper 1 zu kühlen, der aus einem Hohlzylinderabschnitt besteht, der an seinem einen Ende geschlossen ist. Dieser Körper, der beispielsweise durch die Anode einer Elektronenröhre gebildet sein kann, durchquert eine Platte 2 und bildet mit dieser und einem glockenförmigen Gehäuse ein abgeschlossenes Siedekühlgefäß 3. Der dem Innenraum des Siedekühlgefäßes zugewandte und die Wärmeaustauschwand 4 bildende Teil dieses Körpers 1 enthält in seinem zylindrischen Bereich netzartig verteilte Vorsprünge 5, die so bemessen sind, daß die

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Oberfläche dieses Bereichs im Betrieb anisotherm ist. Im Innenraum ist ein Nebenwärmetauscher 6 vorgesehen, der aus einer Kupferschlange gebildet ist, die mit zwei Stutzen 7 und 8 ausgestattet ist, um in ihr Wasser als äußeres Kühlmedium umströmen zu lassen. Der Innenraum kann über einen dicht verschließenden Pfropfen 10 mit der Kühlflüssigkeit 9 gefüllt werden.

Der Innenraum enthält einen oder mehrere Ausgleichskörper 11, 12 in Form von Hohlkörpern aus einem biegsamen Werkstoff, die zuvor mit einem Gas unter einem gegenüber dem gewünschten Betriebsdruck niedrigeren Druck aufgeblasen worden sind. Diese Hohlkörper können beispielsweise mit Luft aufgeblasene Ballons aus künstlichem Kautschuk mit Kugeloder Ringform sein. Im Betrieb verformen sie sich unter dem Einfluß der Ausdehnung der Kühlflüssigkeit und ihrer teilweisen Verdampfung, wie dies der Körper 12 zeigt, und sind dadurch in der Lage, schnelle Druckänderungen, vor allem jede plötzliche Minderung des Drucks in der Flüssigkeit 9, abzuschwächen.

Man sieht im übrigen, daß der Kontakt zwischen der Flüssigkeit 9 und der Wärmeaustauschwand 4 sowie dem Nebenwärmetauscher 6 von der Schwerkraft unabhängig ist, da nämlich der Innenraum mit Kühlflüssigkeit unter Druck gefüllt ist. Demzufolge kann der Wärmetauscher in einer gegenüber der Lotrechten beliebigen Lage betrieben werden, selbst bei Fehlen der Schwerkraft, also in einem Fall, der an Bord eines Raumfahrzeugs eintreten kann. Es könnte auch nützlich sein, die Hohlkörper in einem von der Wärmeaustauschwand 4 entfernt liegenden Bereich festzulegen, um zu vermeiden, daß sie die Konvektionsbewegungen in der Kühlflüssigkeit behindern.

Gemäß einer anderen Ausführungsform des Wärmetauschers der F i g. 1 läßt sich in gewissen Fällen der Ausgleichskörper 11 in einem abnehmbaren Teil 13 des Siedekühlgefäßes, beispielsweise in einem den Pfropfen 10 ersetzenden hohlen Verschluß, anordnen. F i g. 2 gibt einen solchen Hohlverschluß wieder, bei dem der Ausgleichskörper 11 durch einen Rost 14 zurückgehalten wird.

Nach einer weiteren Ausführungsform enthält der Verschluß selbst eine Kammer, die mit einem Gas gefüllt und durch eine biegsame Wand von einem Raum getrennt ist, der mit dem Hauptraum des Siedekühlgefäßes in Verbindung steht. F i g. 3 gibt einen so ausgebildeten Verschluß wieder. Entsprechend einer beim Aufbau von Stoßdämpfern für hydraulische Systeme von Kraftfahrzeugen verwendeten Technik besteht er aus zwei halbkugelförmigen Wandungsteilen 15, 16, zwischen die eine biegsame Wand 17 mit ihrem umlaufenden Rand eingefügt ist. Das Wandungsteil 15 weist einen Gewinderohrstutzen 18 auf, der in die öffnung des Siedekühlgefäßes eingeschraubt ist, und das Wandungsteil 16 weist eine mit einem Pfropfen 19 verschlossene öffnung auf, über die ein Gas in die durch das Wandungsteil 16 und die biegsame Wand 17 gebildeten Kammer eingefüllt wird.

Fig.4 veranschaulicht eine Siedekühlvorrichtung, die sich von den vorhergehenden dadurch unterscheidet, daß der heiße Körper 1, der beispielsweise die Anode einer Elektronenröhre oder ein Zylinder eines Motors sein kann, das Siedekühlgefäß 3 durchquert, anstatt in es lediglich einzudringen. Der Ausgleichskörper 20 ist durch eine Ringhülle aus biegsamem Material gebildet, die mit einem Gas aufgeblasen, koaxial zur heißen Wärmeaustauschwand 4 angeordnet und von dieser durch eine Ablenkplatte 21 getrennt ist. Letztere dient dazu, die durch den Thermosiphoneffekt eintretende starke Bewegung der Kühlflüssigkeit zu begünstigen, indem sie den aufsteigenden vom absteigenden Strom trennt. Durch ihre umgebogenen Ränder 22 hält die Ablenkplatte 21 den Ausgleichskörper 20 in seiner Lage.

Der Nebenwärmetauscher, der bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen eine vom äußeren Kühlmedium durchflossene Schlange ist, kann durch jede Kühlfläche gebildet sein, die in der Lage ist, durch eine Kühlung der Kühlflüssigkeit die Kondensation des Dampfes zu bewerkstelligen. Sie kann beispielsweise durch einen Bereich des Siedekühlgefäßes 3 gebildet sein, der von außen durch Rippen gekühlt wird, die einem erzwungenen Luftstrom ausgesetzt sind.

F i g. 5 stellt eine Siedekühlvorrichtung dar, die mit äußerem Lauf der Kühlflüssigkeit arbeitet und dazu dient, einen heißen Körper 1 allgemein zylindrischer Form, wie den Zylinder eines Motors oder die Anode einer Elektronenröhre sehr großer Leistung, zu kühlen. Dieser Körper durchdringt das ringförmige Siedekühlgefäß 23. Sein dem Innern des Siedekühlgefäßes zugewandter Teil bildet die Wärmeaustauschwand 4 und weist netzartig verteilte wärmeabgebende Vorsprünge 5 auf. Die Kühlflüssigkeit tritt am Zufluß 24 ein. Verteilt um die zylindrische Wärmeaustauschwand 4 durch einen Verteilraum 25 läuft sie durch eine Aufteilwand 26, dessen zum Zufluß 24 zugewandtes Ende einen flachen Rand 27 aufweist, der mit dem Siedekühlgefäß 23 verbunden ist. Aufgenommen durch einen Sammler 28 tritt die Flüssigkeit durch den Abfluß 29 wieder aus. Der Ausgleichskörper 20 ist durch eine Ringhülle aus biegsamem Werkstoff gebildet, die mit einem Gas aufgeblasen ist. Sie ist in einem durch den zylindrischen Teil des Siedekühlgefäßes 23, die Aufteilwand 26 und dessen Rand 27 gebildeten Abteil angeordnet und an dem letztgenannten Rand befestigt. Der durch die Wärmeaustauschwand 4 und die Aufteilwand 26 gebildete ringförmige Durchgang ist von dem Sammler 28 durch ein Gitter 30 getrennt, das dazu dient, eine örtliche Durchwirbelung hervorgerufen. Man hat nämlich beobachtet, daß die Erscheinungen plötzlicher Kontraktionen und Dilatationen ihren Ursprung am häufigsten in Bereichen großer Turbulenz nehmen. Das Gitter 30 begünstigt also eine Lokalisierung dieser Erscheinung im Sammler, d. h. in einem Raum, der mit dem den Ausgleichskörper 20 enthaltenden Abteil unmittelbar in Verbindung steht.

F i g. 6 zeigt eine gegenüber F i g. 5 etwas abgewandelte Ausführungsform des Wärmetauschers, bei dem das den Ausgleichskörper 20 enthaltende Abteil mit dem Kühlflüssigkeitsdurchgang durch zahlreiche Durchbrüche 31 in der Aufteilwand 26 in Verbindung steht. Da diese Durchbrüche ebenso wie das Gitter 30 der Ausführungsform nach F i g. 5 Wirbel in der Kühlflüssigkeit hervorrufen, befindet sich der Ausgleichskörper 20 der Ausführungsform der F i g. 6 ebenfalls in unmittelbarer Nähe der Stellen, an denen die Störerscheinung am häufigsten auftritt.

Die Wärmetauscher der in F i g. 5 und 6 wiedergegebenen Art können derart beschaffen sein, um einen Wärmeaustausch mit bisher unzulässigen Wärmeflüssen durchzuführen, beispielsweise um die Anode einer Elektronenröhre zu kühlen, in der der Elektronenbeschuß der Innenwand eine Wärmeabgabe verlangt, die ohne weiteres ein Kilowatt pro Quadratzentimeter überschreiten kann.

Die Abführung einer solchen Wärmeflußdichte an

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einer Fläche, die mehrere Quadratdezimeter erreichen kann, überschreitet die Möglichkeit der fortschrittlichsten Formen der bisher bekannten Technik. Man löst dieses Problem bei dem Wärmetauscher gemäß der Erfindung, wie ein solcher in den F i g. 5 und 6 veranschaulicht ist und der von einem genügend starken Strom einer stark untersättigten Kühlflüssigkeit durchquert wird.

Um beispielsweise mehrere hundert Kilowatt mit einer Wärmeflußdichte von wesentlich höher als 1 kW/cm² abzugeben, wird man destilliertes Wasser

mit einer Menge von nur 0,35 Liter/Minute pro abzugebendes Kilowatt verwenden, woraus sich eine Erwärmung um etwa 4O⁰C ergibt. Man kann am Zufluß 24 eine Temperatur von 50⁰C und am Abfluß 29 eine Temperatur von 90⁰C unter der Bedingung zulassen, daß das äußere Pumpsystem im Siedekühlgefäß 3 einen Druck von mindestens 4 Atmosphären aufrechterhält, der einer Sättigungstemperatur von etwa 140⁰C entspricht und einen Untersättigungsabstand herbeiführt, der nicht kleiner als 50⁰C ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (15)

15 Ol 485 Patentansprüche:

1. Siedekühlvorrichtung mit einer wärmeabgebenden, Vorsprünge aufweisenden Wärmeaustauschwand und einem mit letzterer ein Siedekühlgefäß bildenden Gehäuse, sowie mit einer die Wärmeaustauschwand umgebenden Kühlflüssigkeit in dem Siedekühlgefäß, in welchem der Druck und die Temperatur der Kühlflüssigkeit auf Werten gehalten sind, bei denen die Kühlflüssigkeit an der Oberfläche der Wärmeaustauschwand siedet und der erzeugte Dampf innerhalb der im Siedekühlgefäß enthaltenen Kühlflüssigkeit kondensiert, dadurch gekennzeichnet, daß einen Teil des Innenraums des Siedekühlgefäßes (3, 23) mindestens ein Ausgleichskörper (11, 12, 20) ausdehnbaren Volumens einnimmt, der aus einer dichten Hülle aus einer ein abgeschlossenes, weder mit der Kühlflüssigkeit (9) noch mit deren Dampf in Verbindung stehendes Volumen umschließenden, zumindest teilweise biegsamen Wandung besteht und mit einer geringen Gasmenge in solchem Maß gefüllt ist, daß der Ausgleichskörper bei dem in dem Siedekühlgefäß herrschenden mittleren Druck und der entsprechenden Temperatur nur einen Teil seines vollen Volumens einnimmt.

2. Siedekühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichskörper (11) in einem als Verschluß dienenden abnehmbaren Teil (13) des Siedekühlgefäßes (3) angeordnet ist (F i g. 2).

3. Siedekühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichskörper aus einer durch eine biegsame Wand (17) und einem Wandungsteil (16) eines mit dem Hauptraum des Siedekühlgefäßes (3) in Verbindung stehenden und lösbar mit diesem verbundenen Behälters (Wandungsteile 15, 16) gebildeten Kammer besteht (F ig. 3).

4. Siedekühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vollständig abgeschlossene Siedekühlgefäß einen in unmittelbarer Nähe des Ausgleichskörpers (20) angeordneten, von einem äußeren Kühlmedium durchflossenen Nebenwärmetauscher (6) enthält (F ig. 4).

5. Siedekühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Siedekühlgefäß (23) einen Zufluß (24) und einen Abfluß (29) für die Umwälzung der Kühlflüssigkeit (9) während des Betriebs enthält (F i g. 5).

6. Siedekühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Siedekühlgefäßes (23) der Ausgleichskörper (20) in einem Abteil angeordnet ist, das mit dem dem Abfluß (29) benachbarten Bereich des Siedekühlgefäßes in Verbindung steht (F i g. 5).

7. Siedekühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Siedekühlgefäßes (23) der Ausgleichskörper (20) in einem Abteil angeordnet ist, das mit dem Flüssigkeitsraum vor der Wärmeaustauschwand (4) über Durchbrüche (31) in der Aufteilwand (26) in Verbindung steht.

Die Erfindung betrifft eine Siedekühlvoirichtung mit einer wärmeabgebenden, Vorsprünge aufweisenden Wärmeaustauschwand und einem mit letzterer ein Siedekühlgefäß bildenden Gehäuse, sowie mit einer die Wärmeaustauschwand umgebenden Kühlflüssigkeit in dem Siedekühlgefäß, in welchem der Druck und die Temperatur der Kühlflüssigkeit auf Werten gehalten sind, bei denen die Kühlflüssigkeit an der Oberfläche der Wärmeaustauschwand siedet und der erzeugte

ίο Dampf innerhalb der im Siedekühlgefäß enthaltenen Kühlflüssigkeit kondensiert.

Bei derartigen Siedekühlvorrichtungen, die im folgenden mitunter kurz auch als »Wärmetauscher« bezeichnet werden, erfolgt also der Wärmeübergang im wesentlichen durch an der Oberfläche der betreffenden Wärmeaustauschwand erfolgendes örtliches Sieden einer Flüssigkeit, die im übrigen auf solchen Temperaturen und Drucken gehalten wird, daß sie in der Lage bleibt, durch Mischung den in Berührung mit der Wärmeaustauschwand erzeugten Dampf zu kondensieren, eine Erscheinung, die gewöhnlich als Oberflächensieden bezeichnet wird.

Die bisher bekannten Wärmetauscher vorgenannter Bauweise sind ungünstig beeinflußt durch zufällige Druckänderungen, die sich einstellen, wenn man sie in einem eng begrenzten Raum betreibt.

Diese Störerscheinung findet ihren Ursprung einerseits in der Tatsache, daß das Sieden nicht ganz gleichmäßig erfolgt und andererseits vor allem darin, daß die durch Mischung eintretende Kondensation sehr unbestimmt verläuft, weil sie durch Bedingungen wie den Druck, die Geschwindigkeit, die Durchwirbelung, die örtliche Temperatur der Flüssigkeitsfäden und das Ausmaß und die Form der Dampfblasen im Innern der Flüssigkeit beeinflußt ist. Bei sehr starker Verdampfung, auch wenn diese an sich bei Wärmetauschern der eingangs genannten Art noch ohne weiteres zulässig wäre, erzeugen diese zufälligen Druckänderungen, deren Größe mehrere Atmosphären erreichen kann, Unterdrucke und örtliche Hohlräume, die sich durch Geräusche und gegebenenfalls heftige Stöße bemerkbar machen und die Stabilität des Wärmeaustausch^ schädlich beeinflussen.

Diese Betriebsbedingungen stellen sich vor allem in den mit Oberflächensieden arbeitenden Wärmetauschern ein, die völlig geschlossen sind. Das Siedekühlgefäß enthält in diesem Fall eine unveränderliche Flüssigkeitsmenge, von der während des Betriebs ein Teil in verdampftem Zustand vorliegt. Zur Wärmeabführung aus der Kühlflüssigkeit enthält das Siedekühlgefäß einen Nebenwärmetauscher, der von einem äußeren Kühlmedium durchflossen ist.

Die Erfahrung zeigt jedoch, daß die beschriebene Störerscheinung sich auch bei mit Oberflächensieden arbeitenden Wärmetauschern einstellt, die mit Umstrom betrieben werden, d. h. bei denen das Siedekühlgefäß einen Zufluß und einen Abfluß für die unter Druck stehende Kühlflüssigkeit aufweist. Bei diesen Wärmetauschern muß das Auftreten der Störerscheinung an die Tatsache geknüpft sein, daß die Trägheit der in den Zufluß- und Abflußkanälen enthaltenen Kühlflüssigkeit einen Widerstand gegen jegliche rasche Änderung der im Siedekühlgefäß enthaltenen Kühlflüssigkeitsmenge dargestellt. Die auf die zufälligen Druckes änderungen zurückzuführenden Erscheinungen steilen sich daher in diesen Wärmetauschern ebenfalls ein.

Aus der USA.-Patentschrift 28 82 449 ist bereits eine Siedekühlvorrichtung mit einer wärmeabgebenden,