DE2112704C3 - Wärmeübertragungswand - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine zwischen einer Wärmequelle und einer siedenden Flüssigkeit befindliche WärmeUbertragungswand gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Wand dieser Art (siehe US-PS 99 949) sind die Rippen an ihren äußeren Enden geteilt, und die beiden Teile sind in entgegengesetzten Richtungen zueinander umgebogen. Außerdem ist die Breite des Spaltes zwischen den äußeren Enden nicht so dimensioniert, daß die im Zwischenraum entstehenden Dämpfe in Form von Blasen in regelmäßigen Abständen austreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Wärmeübertragungswand bezüglich ihrer Wärmeübertragungsfähigkeit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im

Kennzeichen des Anspruchs t angegebenen Maßnahmen gelöst

Durch die Umbiegung der Rippen in eine Richtung kann sich der Dampf in den dadurch sich nach innen s verbreiternden Räumen gut abscheiden. Die Breite des Spaltes, so dimensioniert, daß die Blasen in regelmäßigen Abständen austreten, bewirkt einen optimalen Wärmeübergang. Hinzu kommt, daß die Herstellung der Rippen in der erfindungsgemäßen Art und Weise einfacher ist als die Herstellung bekannter Rippen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele veranschaulicht Darin zeigt

F i g. 1 ein Rohr mit Rippen;

F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 der F i g. 1; F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 der F Ί g. 2;

F i g. 4 ein Schema eines Kühlaggregats; F i g. 5 ein Diagramm und

F i g. 6 eine Vorrichtung, mit der die erfindungsgemäße Wand hergestellt werden kann.

Das in F i g. 1 dargestellte Rohr 1 weist eine Rippe 2 auf, die schraubenlinienartig um das Rohr herumläuft derart, daß die einzelnen Gänge einen gewissen Abstand voneinander haben. Diese Rippe kann aus einem Material bestehen, das sich von dem Rohrmaterial unterscheidet, und kann in irgendeiner Art und Weise mit der Oberfläche des Rohrs 1 verbunden sein. Es kann aber auch die Rippe aus demselben Material wie das Rohr 1 bestehen und aus diesem herausgeformt sein. Die Fig. 1 zeigt ein Rohr der zuletzt erwähnten Ausbildung. Üblich ist es, derartige Rippen etwa vertikal zu dem Grundkörper des Rohrs auszurichten (siehe den mittleren Teil der Fi g. 1).

Nach der erfindungsgemäßen Ausbildung des Rohrs

sind die Rippen 2 übereinandergeklappt (siehe den

rechten Teil der Fig. 1 und die Fig.2 und 3). Ein in

dieser Weise ausgebildetes Rohr hat einen sehr großen

Wärmeübertragungskoeffizienten. Die vorderen Enden 4 der Rippen 2 sind so weit

umgebogen, daß ihre äußeren Kanten 6 einen geringen

Abstand a von dem nächsten Ripprngang haben. Die Größe des Spalts a hängt von der Flüssigkeit ab, die

mittels des Rohrs zum Sieden gebracht werden soll.

Es hat sich ergeben, daß unter Verwendung des Kühlmittels Trichlormonofluormethan bei einer Sättigungssiedetemperatur zwischen 4°C und 21°C der Siedcwärmefluß schnell abfällt, wenn der Spalt a außerhalb des Bereichs zwischen 0,00254 cm und 0,0127 cm liegt; vorzugsweise sollte a zwischen 0,00381 cm und 0,00888 cm liegen.

Beim Sieden mittels eines Rohrs, das mit Rippen gemäß der rechten Hälfte der Fig. 1 ausgerüstet ist wobei der Spalt im Bereich von 0,00254 cm und 0,0127 cm liegt, entsteht ein wesentlich höherer Wärmefluß bei einem gegebenen Δ Tals bei einem Rohr mit Rippen, wie sie der mittlere Teil der F i g. 1 zeigt.

Diese wesentliche Erhöhung gilt für eine beachtliche Zahl von Kühlmitteln, z.B. Trichlorfluormelhan, Dichlordifluormethan, Monochlordifluormethan, Dichlortetrafluormethan bzw. eine 48,8/51 p. gewichtsprozentige azeotropische Mischung aus Monochlordifluorme than und Monochlortetrafluormethan.

Ein weiteres wichtiges Charakteristikum der Rippengeometrie besteht darin, daß der Abstand des Spalts a zwischen der Kante 6 einer Rippe und der benachbarten " Rippe kleiner ist als der Abstand zwischen den Basen 8 benachbarter Rippen Auf diese Weise wird eine sich nach innen verbreiternde Nut 10 geschaffen. Die Rippen 2 sind von ihrer Basis an gebogen, derart, daß die

Rippen an ihrem Fuß einen Winkel zur Vertikalen bilden. Dadurch ist es möglich, daß die äußeren Kanten 6 der Rippen die Basen 8 der nächsten Rippen überlappen, wobei der Abstand zwischen Basis und Rippenkante in F i g. 3 mit b bezeichnet ist. Erfindungsgemäß soll dieser Abstand b etwa V₂ bis 1V₂ mal so groß sein wie die Dicke der Rippen.

Die Rippen 2 sind über ihre gesamte Länge gekrümmt Die Nuten 10 sind also so ausgebildet, daß ein sanfter, direkter, ungehinderter Weg für die entstehenden Blasen gebildet wird, die dann aus dem Spalt η austreten können.

Befinden sich die Rippen an einem Rohr, so können sie zunächst mittels eines Rollverfahrens erzeugt werden. Anschließend werden sie umgebogen, um sie in die erfindungsgemäße Form zu bringen. F i g. 6 zeigt ein mögliches Verfahren. Das gerippte Rohr kann von einer Spannvorrichtung gehalten werden, die sich dreht. Von außen greift ein Biegewerkzeug 14 an, das parallel zur Rohrachse mittels einer Schraube geführt wird. Das Biegewerkzeug muß eine Spitze 16 haben, die es ermöglicht, die Rippen um den gewünschten Betrag zu verbiegen. Die Drehrichtung des Rohrs 1 -and die Richtung der Bewegung des Werkzeugs 14 sind in F i g. 5 mittels Pfeile angedeutet.

Zu Versuchszwecken wurden gerippte Oberflächen mit unterschiedlichen Rippenzahlen pro 2,54 cm und unterschiedlichen Rippendicken und Rippenhöhen geschaffen; alle diese Oberflächen zeigten bedeutsame Verbesserungen hinsichtlich des Siedeprozesses. So wurde beispielsweise festgestellt, daß man die gleichen Resultate erzielt mit einer gerippten Oberfläche, weiche 33 Rippen pro 2^4 cm aufweist, deren Rippen eine Höhe von 0,076 cm und eine Dicke von 0,0254 cm haben, und mit einer gerippten Oberfläche, die zweimal so viele Rippen pro 2^4 cm aufweist, wobei die Rippenhöhe und die Rippendicke die Hälfte der Rippendicke bzw. Rippenhöhe der Rippen der ersten Oberfläche ist Die Größe des Spalts a, die besonders kritisch ist, war in beiden Fällen die gleiche.

Aus Fig.£ ergeben sich im einzelnen die Wärmeübertragungsverhältnisse der neuen Oberfläche. Die Ergebnisse wurden erzielt unter Verwendung von Trichlormonofluormethan als Kühlmittel bei einer Sättigungssiedetemperatur von 21 "C. Die Kurve I zeigt die Siedeverhältnisse einer bekannten gerippten Oberfläche (siehe die linke Seite des Rohrs, von Fig. 1). Die Kurve II zeigt die Siedeverhältnisse, die sich bei Rippen 2 einstellen, die sich gegenseitig überlappen (siehe, die rechte Seite von F i g. 1 und die F i g. 2 und 3). Die Verbesserung bezüglich ult Siedeverhältnisse, die mit der erfindungsgemäßen Rippenausbildung erzielt wird, ist offensichtlich. Zum Beispiel ergibt sich folgendes: Bei einem 4Tvon 3° ist der gesamte Siedewärmefluß in Btu pro Stunde und Quadratfuß der Basisfläche für die erfindungsgemäße Vorrichtung 11,000, wobei für die bekannte Rippenoberfläche der Wert 1,750 ist. Dieses Ergebnis ist bemerkenswert, wenn man berücksichtigt, daß der einzige Unterschied in den beiden Oberflächen darin besteht, daß im einen Fall die Rippen übereinandergelappt sind, derart, daß Nuten 10 gebildet werden, und im anderen Fall nicht. Die Daten für die Kurve der Fig.5 wurden erhalten unter Verwendung einer Kupferwand. Andere entsprechende Resultate kann man bei Verwendung anderer Metalle erwarten, jedoch sind kleine Unterschiede möglich, die auch von den verschiedenen Flüssigkeiten abhängen mögen.

Für Anordnungen, ζ. Β elektronische Apparate oder

Kernreaktoren, bei denen es erforderlich ist, zu kühlen, indem man Hitze direkt von einer Wärmequelle über eine Wand zu einer siedefähigen Flüssigkeit, z. B. Wasser, leitet ist die Verwendung der erfindungsgemä- Ben Oberfläche eine beachtliche Verbesserung in bezug auf den Wärmefluß. Eine Vergrößerung hinsichtlich des Übertragungskoeffizienten für die Siedewärme wirkt sich unmittelbar in einer Vergrößerung in der Gesamtwärme aus, die von einer heißen Oberfläche bei

ίο einem bestimmten Δ Τ abgegeben wird.

Die erfindungsgemäße Oberfläche wirkt sich auch dann günstig aus, wenn Wärme von einer Heizquelle auf eine Wand über eine zweite Flüssigkeit z. B. Wasser, und von der Wand zu einer siedenden Flüssigkeit die mit der Wand in Kontakt steht übertragen wird. Als Beispiel hierfür sei ein Verdampfer eines Kühlaggregats genannt: Eine zu kühlende Flüssigkeit z. B. Wasser, fließt durch Röhren, welche die Wärme von dem Wasser zu einem Kühlmittel übertragen, das auf der Außenseite

μ der Röhren verdampft Da der Gesamt-Wärmeübertragungskoeffizient sich aus dem Koeffr:^:mten für die mit dem Wasser in Berührung stehende Flächen und dem Koeffizienten für die mit dem Kühlmittel in Berührung stehende Fläche zusammensetzt und da weiterhin nur der Koeffizient für die mit dem Kühlmittel in Berührung stehende Fläche durch die erfindungsgemäße Maßnahme verbessert wird, ist eine entsprechend begrenzte Erhöhung des gesamten Wärmeflusses möglich. Fig.4 zeigt schematisch ein Kompressionskühlsy-

A> stern mit einem Verdampfer 20, bei dem die erfindungsgemäße Oberfläche verwendet werden kann. Der Verdampfer 20 liegt in einem Kühlmittelkreislauf, der weiterhin besteht aus einem Kompressor 22, einem Kondensor 24 und einem Drosselventil 26. Der Kompressor 22 kann entweder ein Kolbenkompressor oder ein Zentrifugalkompressor sein. In der Zeichnung ist ein Zentrifugalkompressor dargestellt Der Verdampfer 20 weist eine Schale 21, Abschtußplatten 23 und 25 und Röhren 30 auf, die eng benachbart sind und ein zu

*o kühlendes Fluid führen, das von der Eingangsseite 23 zur Ausgangsseite 25 strömt in den Verdampfer münden eine Eingangsleitung 28 und eine Austrittsleitung 32. Die Kühlflüssigkeit die vom Kondensor 24 kommt expandiert im Ventil 26. In den Verdampfer 20 kommt eine Mischung aus Flüssigkeit und Dampf. Die Flüssigkeit verdampft während das Kühlmittel in Kontakt mit den Außenseiten der Röhren 30 ist Es erfolgt also ein Wärmeübergang zu dem Kühlmittel aufgrund von Konvektion und des Siedens. Insofern ist es schwierig,

so die Vergrößerung des Wärmeflusses aufgrund der Ausbildung der Röhren 30 exakt vorauszusagen. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß eine beträchtliche Vergrößerung hinsichtlich des Gesamtwärmeflusses durch Verwendung einer Oberfläche mit umgebogenen Rippen erreicht wird. Die Nettovergrößerung des Wärmeflusses nähert sich sehr stark der Summe aus dem Siedewärmefluli und dem Konvektionswänmefluß. Der genaue Ablauf bei Verwendung von Oberflächen mit gebogenen Rippen kann nur vermutet werden:

Die Siedeverbesrjrung kann eine Folge wenigstens zum Teil der Veränderung der hydrodynamischen Bedingungen in der Nähe der Siedekerne, nämlich der Löcher, Kratzer u. dgl. in dem Rohr 1 und rfen Wänden der Rippen 2 sein. Nach der Theorie ist es so. daß. wenn

Ί5 eine Blase sich von der Oberfläche löst. Flüssigkeit aus der Umgebung der Stelle, wo sich die Blase bildet, nachfließt, um den Raum, der von der Blase eingenommen worden ist, auszufüllen. Die Stelle aktiviert erst

dann wieder, wenn die Flüssigkeit auf das erforderliche Überhitzungsniveau erwärmt worden ist. Bei Verwendung normaler Rippenrohre bzw. bekannter Siedeoberflächen fällt kalte gesättigte Flüssigkeit in den Bereich des freigegebenen Kernbildungszentrums. Es ist dann ein relativ großer Wärmefluß erforderlich, um diese kalte Flüssigkeit auf die Siedetemperatur zu bringen. Bei einer Oberfläche mit umgebogenen Rippen fließt überhitzte Flüssigkeit zu den Aktivierungszentren.

Das ist eine Folge des großen hydraulischen Widerstands des Spalts a, der kalte Flüssigkeit, die sich außerhalb der Rippen 2 befindet, weitgehend zurückhält. Die kalte Flüssigkeit sickert in die Nuten 10 längs des Spalts a zwischen aufsteigenden Blasensäulen und fließt dann in der Nut 10 zu den Kernzentren. Dabei wird die Flüssigkeit durch die Rippen 2 erwärmt, und zwar so weit, daß sie sich in einem Überhitzungsstadium befindet, wenn sie die Aktivierungszentren erreicht. Es ist dann nur noch ein kleiner Betrag von Wärme erforderlich, um die Temperatur der Flüssigkeit weiter bis zu einem Punkt anzuheben, der für die Kernbildung erforderlich ist. Indem überhitzte Flüssigkeit und nicht kalte gesättigte Flüssigkeit auf die Zentren, aus denen sich die Blasen entwickeln, trifft, wird der Wärmefluß reduziert, der erforderlich ist, um eine Blase zu bilden und freizugeben. Die Siederate wird auf diese Weise erhöht.

Obgleich die erwähnte Wirkung; der Nuten 10 sich zweifellos günstig auswirkt, stellt diese Wirkung doch nicht den Hauptfaklor bei der Gesi;mtverbesserung der Wärmeübertragung dar. Die zweite und weit wichtigere Ursache leitet sich aus der Bildung der Blasen unmittelbar unter den umgebogenen Rippen ab: Die sich nach innen erweiternde Nut 10 bewirkt, daß sich dort der Dampf gut abscheiden kann. Es bilden sich nämlich in gewissen Abständen entlang der Nuten 10 Dampfkügelchen. Die Fläche 12 zwischen Flüssigkeit und Dampf (siehe F i g. 3), die durc h die sich bildenden Blasen entsteht, hat einen relativ großen Krümmungsradius Das ist wichtig, weil die Flü:>sigkeitsüberhitzung. die zum Wachsen der Blasen erforderlich ist, um so kleiner ist. je größer der Krümmungsradius der Blasen

:_. r-»:- ni i.v :. : U-Iu J-_ii...-_ ία :.

IU. LiIV LFia3t.ll rtlSlltlVII JWIIIIt Il ti lt.! ItClI '_> VlVl ItUIVII IV ItMt sehr kleinen Überhitzungswerten wachsen. Das Blasenwachsen und das Ablösen der Blasen wird durch die relativ große Menge an überhitzter Flüssigkeit beschleunigt, die unter den Rippen 2 auf dem Boden der Nuten 10 gehalten wird und sehne λ in die Flüssigkeitsdampfzwischenschicht 12 hineinverdampft. Die überhitzte Flüssigkeit, die in den Nuten 10 gehalten wird, wird von der kalten gesättigten Flüssigkeit, die sich außerhalb der Rippen 2 befindet, durch den Spalt a geschützt. Darin liegt ein wesentlicher Unterschied gegenüber den Siedeflächen bekannter Art, bei denen Blasen in eine sehr dünne Schicht überhitzter Flüssigkeit ! hineinwachsen, welche sich mit kalter Flüssigkeit vermischen kann, z. B. dann, wenn sich Blasen ablösen, wobei die Schicht zerstört wird. Indem Dampf in die Blasen bei der erfindungsgemäßen Oberflächenausbildung hineinsteigt, wächst die Blase nach unten und in

to Längsrichtung innnerhalb der Nut 10, bis der Auftrieb die Oberflächenspannung längs des Spalls a überwindet. Die Blase löst sich dann von der Nut 10 und schwimmt durch den Spalt a nach außen. Die Größe des Spalts a ist wichtig, weil dann, wenn er zu klein wäre, eine

^; "> übermäßige Überhitzung erforderlich wäre, um eine Blase innerhalb der Nut entstehen zu lassen bzw. eine Blase durch den engen Spalt hindurchzutreiben. Ist andererseits der Spalt a zu groß, dann wirken die Nuten 10 nicht als Dampfabscheider.

JH Eine beachtliche Menge an Dampf bleibt in den Nuten 10, nachdem eine Blase ausgetreten ist. Unmittelbar danach fällt Flüssigkeit von außen in die Nut hinein, um den Raum, den die Blase freigegeben hat. auszufüllen. Diese heftige Flüssigkeitsbewegung hat zur

y, Folge, daß der zurückbleibende Dampf sich längs der Nuten 10 mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Indem sich die Flüssigkeitsdampfzwischenschicht längs innerhalb der Nut 10 bewegt, verdampft überhitzte FlüssigAeit. die sich in der Nut befindet, in diese Fläche.

in bis sich eine weitere Blase ablöst. Auf diese Weise wird eine neue Blasensäule an einem Punkt längs der Nut 10 begonnen, der einen Abstand von dem anderen Punkt hat. an dem sich die erste Blase abgelöst hat. Letztlich entsteht also eine Reihe von dicht aufeinanderfolgenden

r. Blasensäulen längs der Nuten 10. Benachbarte Blasensäulen zeigen eine besonders auffällige Charakteristik, die darin besteht, daß sie die gleiche Blasenablösfrequenz. aber verschiedene Phasen bezüglich des Blasenablösens haben. Insofern ist es wahrscheinlich.

in daß die Flüssigkeitsdampfzwischenschicht zwischen benachbarten Biasenentstehungsstellen schwingt, wobei das Wachsen der Blasen und das Ablösen der Blasen mit

von einer Blasenerzeugungsstelle innerhalb der Nut 10 seitlich wegbewegt, wenn eine Blase sich abgelöst hat. scheint das Wachsen und Ablösen einer anderen Blase an einer benachbarten Stelle einzuleiten. Es ist also so. daß die Nuten 10 zusätzlich bewirken, daß benachbarte Blasenerzeugungsstellen in direkter Flüssigkeitsverbindung stehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Zwischen einer Wärmequelle und einer siedenden Flüssigkeit befindliche Wärmeübertragungswand, vorzugsweise Rippenrohr, mit Rippen auf der der Flüssigkeit zugewandten Seite, wobei diese Seite der Wärmeübertragungswand mindestens so glatt ist, wie sie bei Erzeugung der Rippen im Wege eines Rollverfahrens ist, und zwischen den Rippen durch Umbiegen der Rippen Zwischenräume gebildet sind, deren Querschnitt sich nach außen verengt und die Rippen und die Wand vorzugsweise aus einem Stück bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen nur in einer Richtung umgebogen sind und der Spalt (a) zwischen dem äußeren Rand (6) einer Rippe (4) und der benachbarten Rippe (4) eine solche Breite hat, daß die im Zwischenraum (10) entstehenden Dämpfe in Form von Blasen in regelmäßigen Abständen austreten.

2. Wärraeäbertragungswand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorderende der Rippen das Fußende der nachfolgenden Rippe überlappt

3. WärmeUbertragungswand nach Anspruch J bis

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (4) über ihre gesamte Höhe eine gekrümmte Form und/oder gleiche Dicke haben.

4. Wärmeübertragungswand nach Anspruch 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt eine Breite zwischen 0,025 mm und 0,127 mm, insbesondere zwischen 0,038 und 0,089 mm hat

5. WärmeUbertragungswand nach Anspruch 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, dair der Überlappungsbereich (b) zwischen dem '/2 und l'/jfachen der Dicke der Rippen (4) liegt

6. Verwendung der Rohre gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 für einen Verdampfer eines Kühlaggregates.

7. Verwendung der WärmeUbertragungswand nach Anspruch 1 bis 5 für einen Wärmeaustauscher, bei dem die die Rippen umgebende Flüssigkeit aus Trichlormonofluormethan, Monochlordifluormethan, Dichlordifluormethan, Trichlortrifluoräthan. Dichlortetrafluoräthan und/oder einer 48,8/51,2 gewichtsprozentigen, azeotropischen Mischung aus Monochlordifluormethan und Monochlorpentafluoräthan besteht