DE2459390A1

DE2459390A1 - PROCEDURE FOR COOLING A HEAT EXCHANGER AND SUITABLE HEAT EXCHANGER

Info

Publication number: DE2459390A1
Application number: DE19742459390
Authority: DE
Inventors: Gordon Robert Lavering
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1973-12-26
Filing date: 1974-12-16
Publication date: 1975-07-10
Also published as: JPS50100654A; FR2256389B3; AU7636474A; NL7416974A; FR2256389A1

Description

des flüssigen Kühlmittels zu kondensieren. Das Kondensat wird durch den Wärmetauscher mit hoher Geschwindigkeit rezirkuliert.to condense the liquid coolant. The condensate is through recirculates the heat exchanger at high speed.

Background of the invention

Die Erfindung betrifft allgemein Wärmetauscher und insbesondere einen verbesserten Wärmetauscher, bei dem flüssiges Kühlmittel durch Kanäle zirkuliert, die zwischen benachbarten Fahnenteilen des Wärmetauschers definiert sind, und zwar mit ausreichender Geschwindigkeit, um verdampftes Kühlmittel von den Wänden der Kanäle abzukratzen, so daß ein wirksamer Wärmeübergang vom Wärmetauscher zum flüssigen Kühlmittel aufrechterhalten wird.The invention relates generally to heat exchangers, and more particularly to one improved heat exchanger in which liquid coolant circulates through channels formed between adjacent lug portions of the heat exchanger are defined, and with sufficient speed to evaporate To scrape coolant from the walls of the ducts, so that an effective heat transfer from the heat exchanger to the liquid coolant is maintained.

Es sind bereits Wärmetauscher vorgeschlagen worden, in denen eine Anzahl Fahnen vom Wärmetauscherelement nach außen hervorsteht. Ein äußerer Mantel ist um die Fahnen herum in einem derartigen Abstand angeordnet, daß KühlungsmitteIkanale im Ringraum zwischen den Fahnen und dem Mantel gebildet werden. Das flüssige Kühlmittel wurde durch den Ringraum geschickt, um verdampftes Kühlmittel vom Wärmetauscher zu entfernen und verdampftes Kühlmittel im Strom des flüssigen Kühlmittels aufzunehmen und darin zu kondensieren, indem Wärme vom verdampften Kühlmittel zur flüssigen Masse des restlichen flüssigen Kühlmittels übergeht. Das Kühlmittel wurde dann durch einen zweiten Wärmetauscher geschickt, um Wärme vom Kühlmittel abzuführen. Das gekühlte Kühlmittel wurde dann durch den Wärmetauscher rezirkuliert. Solche Wärmetauscher sind zum Kühlen der Anoden von Elektronenröhren vorgeschlagen worden.Heat exchangers have been proposed in which a number of tabs protrude outward from the heat exchanger element. A outer coat is at such a distance around the flags arranged that KühlungsmitteIkanale in the annular space between the flags and the jacket. The liquid coolant was sent through the annulus to remove evaporated coolant from the heat exchanger to remove and absorb evaporated coolant in the flow of liquid coolant and condense therein by removing heat from evaporated coolant passes over to the liquid mass of the remaining liquid coolant. The coolant was then passed through a second Heat exchangers sent to remove heat from the coolant. The cooled coolant was then recirculated through the heat exchanger. Such heat exchangers are used to cool the anodes of electron tubes has been proposed.

Bei einem speziellen Gerät dieser Art weist die äußere Peripherie des Wärmetauschers eine Anzahl längsgerichteter Fahnen auf, so daß eine kreisförmige Anordnung von longitudinalen Kühlmittel kanalen gebildet wird, die sich über die Länge der Anode einer Elektronenröhre, die gekühlt werden soll, erstrecken. Eine Eingangs-Kühlmittelverteilung weist eine Anzahl längs gerichteter Röhren auf, die zwischen benachbarte Fahnen des Wärmetauschers geschachtelt sind. Eine Reihe sehrIn a special device of this type, the outer periphery has of the heat exchanger on a number of longitudinal flags, so that a circular arrangement of longitudinal coolant channels which extend the length of the anode of an electron tube to be cooled. An inlet coolant distribution comprises a number of longitudinally directed tubes nested between adjacent lugs of the heat exchanger. A lot

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kleiner Öffnungen sind längs der Innenwand der Röhren vorgesehen, um eine Vielzahl radial gerichteter Kühlmittel strahlen zu bilden, die gegen die Böden der longitudinalen Kühlmittelkanäle im Wärmetauscher gerichtet sind. Diese Kühlmitte!strahlen dienen dazu, verdampftes Kühlmittel abzutragen, das sich sonst im Boden der Kühlmittelkanäle des Wärmetauschers bildet, um den Wärmeübergang vom Wärmetauscher zum Kühlmittel zu verbessern (US-Patentschrift 3 414 753).small openings are provided along the inner wall of the tubes to form a plurality of radially directed coolant jets, those against the bottoms of the longitudinal coolant channels in the heat exchanger are directed. These coolant rays serve to To remove evaporated coolant that would otherwise form in the bottom of the coolant channels of the heat exchanger in order to transfer the heat from heat exchanger to coolant (US Pat. No. 3,414,753).

Das Problem bei einem solchen Wärmetauscher liegt darin, daß er relativ kompliziert ist und die kleinen Löcher zur Bildung der Strömungsmittelstrahlen im Gebrauch verstopfen können.The problem with such a heat exchanger is that it is relatively complicated and the small holes to form the Can clog fluid jets in use.

Bei einem weiteren älteren Wärmetauscher steht eine Anzahl Fahnen in Spiralenform vom Wärmetauscher nach außen vor, so daß eine Anzahl spiralenförmiger Kühlmittelkanäle dazwischen gebildet wird, die mit einem äußeren, schichtförmigen Kanal kommunizieren, der zwischen den äußeren Enden der Fahnen und dem diese umgebenden rohrförmigen Mantel einer Verteilung gebildet ist. Kühlmittel wird durch den schichtförmigen Kanal unter einem erheblifchen Winkel zur Richtung der spiralenförmigen Kanäle geschickt, um für einen turbulenten Strom in den Kanälen zu sorgen. Dieser turbulente Strom sorgt dafür, verdampftes Kühlmittel von der Oberfläche des Wärmetauschers abzuschruppen und verdampftes Kühlmittel im flüssigen Kühlmittelstrom abzuführen, so daß es in der Masse des Kühlmittels kondensiert. Das Kühlmittel wird dann durch einen zweiten Wärmetauscher geschickt und mittels einer Pumpe durch das zu kühlende Gerät rezirkuliert (US-Patentschrift 3 455 376).In another older heat exchanger, a number of lugs protrude outwardly from the heat exchanger in a spiral shape, so that a number spiral coolant channels formed therebetween, which with communicate with an outer, layered channel that runs between the outer ends of the flags and the tubular jacket surrounding them a distribution is formed. Coolant is passed through the layered channel at a considerable angle to the direction of the helical channels sent to allow for a turbulent flow to worry in the channels. This turbulent flow ensures that evaporated coolant is scraped off the surface of the heat exchanger and removing vaporized coolant in the liquid coolant stream so that it condenses in the bulk of the coolant. The coolant is then sent through a second heat exchanger and recirculated through the device to be cooled by means of a pump (US patent 3 455 376).

Es ist ferner bekannt, einen mit Fahnen versehenen Strahlkollektor oder Wärmetauscher, beispielsweise aus Kupfer, dadurch zu versteifen, daß mit den äußeren Enden der Fahnen eine Wand höherer Festigkeit, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, verbunden wird (US-Patentschrift 3 374 523).It is also known to have a flagged jet collector or to stiffen heat exchangers, for example made of copper, in that with the outer ends of the flags a wall of higher strength, stainless steel, for example (U.S. Patent 3,374,523).

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Dieses bekannte Gerät vermeidet zwar die Schwierigkeiten, die mit dünnen, energiereichen Strahlen verknüpft sind, wie sie beim als erstes genannten bekannten Gerät auftreten, die Schruppwirkung ist jedoch nicht optimal, weil der Boden der Strömungsmittelkanäle zwischen benachbarten Fahnen bei einer Temperatur von etwa 250 ⁰C arbeitet, und es ist erwünscht, diese Temperatur so stark wie möglich herabzusetzen, während gleichzeitig für ein Sieden des flüssigen Kühlmittels am Boden der Kanäle gesorgt wird.Although this known device avoids the difficulties associated with thin, high-energy beams, as occur with the first-mentioned known device, the roughing effect is not optimal because the bottom of the fluid channels between adjacent plumes is at a temperature of about 250 ^° C operates, and it is desirable to reduce this temperature as much as possible while at the same time allowing the liquid coolant to boil at the bottom of the channels.

Ein weiterer Nachteil des bekannten Kühlschemas liegt darin, daß der Kern des Wärmetauschers relativ dick sein muß» um sich im Gebrauch bei höherer Temperatur selbst zu tragen, insbesondere unter einem Außendruck von 1 oder 2 Atmosphären Druck, was beim Elektronenstrahlkollektor einer Elektronenröhre der Fall ist.Another disadvantage of the known cooling scheme is that the The core of the heat exchanger must be relatively thick in order to be able to support itself in use at higher temperatures, especially under one External pressure of 1 or 2 atmospheres pressure, which is the case with the electron beam collector of an electron tube.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Wärmetauscher verfügbar zu machen, bei dem das Verdampfte Kühlmittel von der Außenfläche des Wärmetauscherelementes mittels eines flüssigen KühlmitteIstroms hoher Geschwindigkeit entfernt wird.The object of the invention is to make an improved heat exchanger available in which the evaporated coolant from the outer surface of the heat exchanger element by means of a liquid coolant flow is removed at high speed.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird eine Anzahl Kühlmittelkanäle zwischen benachbarten Teilen von auswärts gerichteten Fahnen am Wärmetauscher definiert und dafür gesorgt, daß das Kühlmittel durch diese Kühlmittelkanäle mit ausreichender Geschwindigkeit strömt, um verdampftes Kühlmittel, das an der Oberfläche des Wärmetauschers gebildet hat, abzuschruppen und abzuführen.According to a feature of the invention, a number of coolant channels defined between adjacent parts of outwardly directed flags on the heat exchanger and ensured that the coolant through these coolant channels flows around at sufficient speed evaporated coolant that has formed on the surface of the heat exchanger to be scraped off and carried away.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Wand hoher Festigkeit mit den äußeren Enden der Fahnen des Wärmetauschers verbunden, um die Kühlmittelkanäle zwischen dem Mantel und den benachbarten Fahnen zu definieren. Ein solcher hochfester Mantel ergibt eine zusätzliche Festigkeit für den zusammengesetzten Wärme-According to another feature of the invention, one wall is taller Strength connected to the outer ends of the lugs of the heat exchanger to the coolant channels between the jacket and the to define neighboring flags. Such a high strength coat provides additional strength for the composite heat

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tauscher, so daß eine unerwünschte Verformung verhindert wird, insbesondere wenn der Wärmetauscher bei hohen Leistungsdichten und dementsprechend hohen Temperaturen arbeitet.exchanger, so that undesired deformation is prevented, especially when the heat exchanger operates at high power densities and correspondingly high temperatures.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:Further features and advantages of the invention emerge from the following description in conjunction with the drawing; show it:

Fig. 1 schematisch ein Kühlmittelsystem, bei dem das verbesserteFig. 1 schematically shows a coolant system in which the improved

Wärmeaustauschverfahren nach der Erfindung verwendet wird;Heat exchange method according to the invention is used;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den in Fig. 1 mit der Linie 2-2FIG. 2 shows a longitudinal section through the line 2-2 in FIG. 1

umschlossenen Teil; undenclosed part; and

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2.FIG. 3 shows a section along the line 3-3 in FIG. 2.

Fig. 1 zeigt ein Wärmetauscher-KUhl system 11 mit Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird flüssiges Kühlmittel, beispielsweise Wasser, bei 95 ⁰C bis 99 ⁰C in einem Sumpf 12 gesammelt und über eine Pumpe 13 und einen Spannungsisolator, beispielsweise einen Gummi schlauch, zum Eingang eines Wärmetauschers 15 gepumpt. Der Wärmetauscher ist mit einem zu kühlenden Gerät gekuppelt, beispielsweise der Anode oder dem Strahl kollektor einer Elektronenstrahlröhre.Fig. 1 shows a heat exchanger-KUhl system 11 with features of the invention. In particular, liquid coolant, for example water, is ^{collected at 95 °} C. to 99 ^° C. in a sump 12 and pumped to the inlet of a heat exchanger 15 via a pump 13 and a voltage insulator, for example a rubber hose. The heat exchanger is coupled to a device to be cooled, for example the anode or the beam collector of a cathode ray tube.

Es wird dafür gesorgt, daß das Kühlmittel durch spiralenförmige Kanäle spiralenfdrmig um die Außenseite des Wärmetauschers 15 herumwirbelt, wie noch näher in Verbindung mit Fig. 2 und 3 erläutert wird, um Wärme vom Wärmetauscher zu entfernen. In diesem Prozeß wird dem Wärmetauscher 15 ausreichend Wärme zugeführt, so daß damit in Berührung befindliches Kühlmittel verdampft. Das verdampfte Kühlmittel wird von der Oberfläche des Wärmetauschers abgeschruppt, und zwar durch den Strom aus in der Flüssigkeitsphase befindlichem Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit.It is ensured that the coolant through helical Channels spiral around the outside of the heat exchanger 15 swirls, as will be explained in more detail in connection with Figures 2 and 3, to remove heat from the heat exchanger. In this process Sufficient heat is supplied to the heat exchanger 15 so that coolant in contact therewith evaporates. The evaporated coolant is scraped from the surface of the heat exchanger by the flow of coolant in the liquid phase at high speed.

Das flüssige Kühlmittel, in dem das verdampfte Kühlmittel gefangen ist,The liquid refrigerant in which the evaporated refrigerant is trapped

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beispielsweise 5 % Dampf, der in 100 ⁰C Wasser gefangen ist.wird mittels eines Sammelaufnehmers aufgenommen und durch einen zweiten Spannungsisolator 16 geschickt, beispielsweise einen Gummi schlauch, und von dort durch einen zweiten Wärmetauscher 17 zum Sumpf 12 zurückgeführt. Ein Abblas- und Sicherheitsventil 18 ist im zweiten Wärmetauscher 17 vorgesehen, sowohl um gefangene Luft aus dem Kühlmittel zu entfernen als auch zuviel verdampftes Kühlmittel freizulassen, das bei einer plötzlichen Überlastung des Systems im zweiten Wärmetauscher 17 vorhanden sein kann. Der Wärmetauscher 17 kann ein wasser- oder luftgekühlter Austauscher sein, bei dem ein zweites Kühlmittel, beispielsweise Luft oder Wasser, durch den Wärmetauscher derart geführt wird, daß mit dem vom Wärmetauscher 15 gesammelten Kühlmittel Wärme ausgetauscht werden kann.Ein Keruhigungstank 19 ist mit dem Sumpf 12 gekuppelt und kann eine Stickstoffladung hinter einer Membran 20 enthalten, oder kann zur Luft hin offen sein. Das Hauptkühlmittel ist in der bevorzugten Ausführungsform entionisiertes Wasser!added, for example, 5% of steam, the ist.wird caught in 100 ⁰ C by means of a water Sammelaufnehmers and passed through a second voltage insulator 16, for example a rubber hose, and fed back from there through a second heat exchanger 17 to the sump 12th A blow-off and safety valve 18 is provided in the second heat exchanger 17, both to remove trapped air from the coolant and to release excess evaporated coolant which may be present in the second heat exchanger 17 in the event of a sudden overload of the system. The heat exchanger 17 can be a water- or air-cooled exchanger in which a second coolant, for example air or water, is passed through the heat exchanger in such a way that heat can be exchanged with the coolant collected by the heat exchanger 15. A calming tank 19 is connected to the sump 12 and may contain a nitrogen charge behind a membrane 20, or may be open to the air. The main coolant in the preferred embodiment is deionized water!

In Fig. 2 und 3 ist der Wärmetauscher 15 nach der Erfindung dargestellt. Der Wärmetauscher 15 weist einen hohlzylindrischen Kern 21 auf, der beispielsweise aus der evakuierten Anode einer Elektronenstrahlröhre oder dem Strahl kollektor einer Röhre mit linearem Strahl, beispielsweise einem Klystron, einer Wanderfeldröhre und dergl. bestehen kann. Der zylindrische Kern 21 besteht aus einem wärmeleitenden Werkstoff, beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Falls der Kern 21 die Anode einer Elektronenstrahlröhre ist, ist er am äußeren Ende hermetisch mittels einer kuppeiförmigen Endwand 22 abgeschlossen.In Fig. 2 and 3, the heat exchanger 15 is shown according to the invention. The heat exchanger 15 has a hollow cylindrical core 21 which, for example, consists of the evacuated anode of a cathode ray tube or the beam collector of a linear beam tube, for example a klystron, a traveling wave tube and the like. Can exist. The cylindrical core 21 consists of a thermally conductive material, for example copper or aluminum. If the core 21 is the anode of a cathode ray tube, it is hermetic at the outer end terminated by means of a dome-shaped end wall 22.

Eine Anzahl radial gerichteter Fahnen 23, beispielsweise aus Kupfer, sitzt auf dem Äußeren des Kerns 21, diese sind beispielsweise herausgefräst oder angelötet. Die Fahnen 23 sind in einem spiralen- oder wendeiförmigen Weg um den Wärmetauscherkern 21 angeordnet, um eine Anzahl von spiralen- oder schraubenlinienförmigen Kühlmittel kanal en im Bereich zwischen benachbarten Fahnen 23 zu bilden. Ein zylindrischerA number of radially directed flags 23, for example made of copper, sits on the outside of the core 21, these are, for example, milled out or soldered on. The flags 23 are in a spiral or helical path arranged around the heat exchanger core 21 to a Number of spiral or helical coolant channels to form in the area between adjacent flags 23. A cylindrical one

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Mantel 25, der aus einem Werkstoff mit erheblich höherer Festigkeit bei höheren Temperaturen als der Werkstoff des Kerns 21 und der Fahnen besteht, ist um die Fahnen 23 herum angeordnet und mit deren äußeren Peripherien verbunden, beispielsweise durch Löten.Jacket 25, which is made of a material with significantly higher strength at higher temperatures than the material of the core 21 and the lugs exists, is arranged around the flags 23 and with their outer Peripherals connected, for example by soldering.

In einem typischen AusfUhrungsbei spiel besteht der zylindrische Mantel 25 aus unmagnetischem rostfreien Stahl oder Monel, während der Kern 21 und die Fahnen 23 aus Kupfer oder Aluminium bestehen. Der Außendurchmesser des Kerns 21 beträgt 87,6 mm (3,450 "), der Kern ist mit sechs Nuten 4,3 mm (0,170 ") breit, und 5,1 mm (0,200 ") tief versehen; diese Nuten haben gleiche Abstände bei einem Steigungswinkel von 7,5 °. Die longitudinale Länge des mit Nuten oder Fahnen versehenen Teils des Kollektors 21 beträgt 63,5 mm (2,50 "). Der Kern 21 hat eine Wandstärke von 5,1 mm (0,200 "). Der Mantel 25 aus rostfreiem Stahl ist an die Außenperipherie der Fahnen 23 angelötet und hat eine Wandstärke von 0,51 mm (0,020 ").In a typical embodiment, the cylindrical Jacket 25 made of non-magnetic stainless steel or Monel, during the Core 21 and the flags 23 are made of copper or aluminum. The outside diameter of the core 21 is 87.6 mm (3.450 "), the core is provided with six grooves 4.3 mm (0.170 ") wide and 5.1 mm (0.200") deep; these grooves are equally spaced at a pitch angle of 7.5 °. The longitudinal length of the grooved or lobed portion of the collector 21 is 63.5 mm (2.50 "). The Core 21 has a wall thickness of 5.1 mm (0.200 "). The jacket 25 made of stainless steel is attached to the outer periphery of the lugs 23 soldered on and has a wall thickness of 0.51 mm (0.020 ").

Dem Kern 21 wird ausreichende Wärmeenergie zugeführt, beispielsweise durch Auffangen eines Elektronenstrahls auf der Innenseite, um den Kern 21 auf eine ausreichende Temperatur aufzuheizen, um das flüssige Kühlmittel, beispielsweise entionisiertes Wasser, an den radialen Innenteilen der Kühlmittelkanäle 24 angrenzend an die Außenfläche des Kerns 21 zu verdampfen. Insbesondere ist im Falle von Wasser als Kühlmittel bei einer Atmosphäre überdruck über Atmosphärendruck die Siedetemperatur 125 ⁰C, und das würde die Temperatur der Außenwand des Kerns 21 sein, die die Innenwand der Nuten oder Kanäle 24 bildet.Sufficient thermal energy is supplied to the core 21, for example by collecting an electron beam on the inside, in order to heat the core 21 to a temperature sufficient to allow the liquid coolant, for example deionized water, to appear on the radially inner parts of the coolant channels 24 adjacent to the outer surface of the core 21 to evaporate. In particular, in the case of water as the coolant, the boiling temperature is 125 ^° C. at an atmosphere overpressure above atmospheric pressure, and that would be the temperature of the outer wall of the core 21 which forms the inner wall of the grooves or channels 24.

Das Kühlmittel wird durch die Kanäle 24 mit ausreichender Geschwindigkeit, beispielsweise mehr als 3,1 m/s (10 Fuß/Sekunde) gepumpt, so daß sich ein turbulenter Strom in den einzelnen spiral- oder wendeiförmigen Kanälen 24 ausbildet. Die Turbulenz wird ausreichend kräftig gemacht, um Dampf von der 125 ° warmen Innenfläche der Nut oder des Kanals 24 aufzubrechen und abzuschruppen. Der von der Oberfläche des Kerns 21The coolant is transported through the channels 24 at a sufficient speed for example, more than 3.1 m / s (10 feet / second) are pumped so that a turbulent flow is created in the individual spiral or helical shape Channels 24 forms. The turbulence is made strong enough to remove steam from the 125 ° inner surface of the groove or channel 24 break up and scrape off. The one from the surface of the core 21

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abgeschruppte Dampf wird im flüssigenKühlmittelstrom gefangen und von dem Strömungsmittel in die Sammelverteilung mitgeführt und von dort zum zweiten Wärmetauscher 17.scraped-off vapor is trapped in the liquid coolant stream and entrained by the fluid in the collection manifold and from there to the second heat exchanger 17.

In einem typischen Ausführungsbeispiel werden etwa 5 % des flüssigen Kühlmittels verdampft und im flüssigen Kühlmittel gefangen, das zum zweiten Wärmetauscher 17 weiterläuft. Das verdampfte Kühlmittel wird entweder im zweiten Wärmetauscher 17 oder im Strömungsfluß zum Tauscher 17 kondensiert. Der angebundene Mantel 25 verleiht dem zusammengesetzten Wärmetauscher 15 erhebliche mechanische Festigkeit und minimiert insbesondere die Neigung des weichmetallenen Kerns 21, sich unter dem Druck des Strömungsmittels und dem Atmosphärendruck an dessen Äußeren nach einwärts zu biegen.In a typical embodiment, about 5% of the liquid Coolant evaporates and trapped in the liquid coolant, which continues to flow to the second heat exchanger 17. The evaporated coolant is condensed either in the second heat exchanger 17 or in the flow to the exchanger 17. The attached coat 25 gives the composite heat exchanger 15 has considerable mechanical strength and, in particular, minimizes the inclination of the soft metal core 21, under the pressure of the fluid and atmospheric pressure to bend inwards on its exterior.

Im Betrieb wird wenigstens 1 % Sieden des flüssigen Kühlmittels im Wärmetauscher 15 im Gebrauch erreicht. Dieser Siedeanteil kann dadurch geprüft werden, daß die Energiemenge berechnet wird, die vom Kollektor durch den Temperaturanstieg des Kühlmittels abgeführt wird, und diese berechnete Leistung von der tatsächlichen Leistung subtrahiert wird, die dem Kollektor zugeführt wird. Die Leistungsdifferenz ist auf die Energie zurückzuführen, die durch Sieden des flüssigen Kühlmittels abgeführt wird. Insbesondere ergibt das Produkt des Temperaturanstieges mit der Strömungsrate des Kühlmittels und der spezifischen Wärme des Kühlmittels die abgeführte Leistung durch Erhöhung der Kühlmitteltemperatur. Der Rest der abgeführten Leistung ist auf das Sieden des Kühlmittels zurückzuführen.In operation, at least 1 % boiling of the liquid coolant is achieved in the heat exchanger 15 in use. This boiling fraction can be checked by calculating the amount of energy that is removed from the collector by the rise in temperature of the coolant and subtracting this calculated power from the actual power that is supplied to the collector. The difference in performance is due to the energy dissipated by the boiling of the liquid coolant. In particular, the product of the temperature rise with the flow rate of the coolant and the specific heat of the coolant gives the dissipated power by increasing the coolant temperature. The rest of the dissipated power is due to the boiling of the coolant.

Beim Wärmetauscherverfahren nach der Erfindung wird wenigstens 1 Vol.-% des Kühlmittels zum Sieden gebracht. Das Sieden kann dadurch festgestellt werden, daß ein Accelerometer am äußeren Wassermantel des Rohres oder eines zu bewertenden Wärmetauschers 15 befestigt wird. Das Accelerometer wirkt als Kontaktmikrofon. Drei unterschiedliche TöneIn the heat exchanger process according to the invention, at least 1 vol .-% of the coolant brought to the boil. Boiling can be determined by placing an accelerometer on the outer water jacket of the Tube or a heat exchanger 15 to be assessed is attached. The accelerometer acts as a contact microphone. Three different tones

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2^593902 ^ 59390

können gehört werden, wenn der Accelerometerausgang verstärkt wird und das Signal über einen Lautsprecher überwacht wird. Bei sehr hohen Kühl mitteIstromraten und niedrigen Wärmeabfuhrdichten kann nur ein leichtes Murmeln gehört werden. Das entspricht der Nichtsiedebedingung im Wärmetauscher. Bei mittleren Leistungsdichten und bescheidenen Kühl mitteIstromraten tritt eine Kombination von Konvektionskühlung. und Siedekernen auf und ein zischender Ton ist zu hören. Das ist der gewünschte Betriebsbereich. Wenn entv/eder die Strömungsrate ausreichend abgesenkt wird oder die Leistungsdichte ausreichend erhöht wird, ist ein knatterndes Geräusch zu hören und ein Manometer in der Wasserleitung zeigt Fluktuationen an. Beide Effekte sind auf lokale Temperaturspitzen mit Siedefilmen zurückzuführen. Die Durchflußrate sollte dann erhöht oder die abzuführende Leistungsdichte herabgesetzt werden, um Betrieb in diesem Bereich zu vermeiden.can be heard when the accelerometer output is amplified and the signal is monitored through a loudspeaker. With very high cooling medium flow rates and low heat dissipation densities, only a slight murmur can be heard. This corresponds to the non-boiling condition in the heat exchanger. At medium power densities and A combination of modest cooling mean flow rates occurs Convection cooling. and boiling cores and a hissing sound is to listen. That is the desired operating range. If either the flow rate is lowered sufficiently or the power density is increased sufficiently, a crackling noise can be heard and a pressure gauge in the water pipe shows fluctuations at. Both effects are due to local temperature peaks with boiling films. The flow rate should then be increased or the power density to be dissipated can be reduced in order to avoid operation in this area.

Der überwiegende Kühlmechanismus beim Wärmetauschverfahren nach der Erfindung ist das Sieden des flüssigen Kühlmittels am Innenteil der Nuten oder Kühlmittelkanäle. Es ist deshalb nicht wirkungsvoll, die Temperatur des Kühlmittels am Einlaß zum Wärmetauscher 15 erheblich unter die Siedetemperatur abzusenken. Es ist beispielsweise vollständig adäquat, die Kühlmitteltemperatur am Eingang auf nur 1 unter die Siedetemperatur herabzusetzen. Im Falle von Wasser als flüssiges Kühlmittel braucht das zum Sumpf zurückgeführte Kühlmittelkondensat nur auf 99 ⁰C bei Atmosphärendruck abgekühlt zu werden. Die Pumpe hebt dann den Druck des Kühlmittels auf etwa eine Atmosphäre über Atmosphärendruck am Einlaß zum Wärmetauscher an. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist deshalb das Kühlmittel im Sumpf auf eine Temperatur abgesenkt, die nicht tiefer als 5 ⁰C unter dem Siedepunkt des flüssigen Kühlmittels unter dem Druck im Sumpf liegt.The predominant cooling mechanism in the heat exchange method according to the invention is the boiling of the liquid coolant on the inner part of the grooves or coolant channels. It is therefore ineffective to lower the temperature of the coolant at the inlet to the heat exchanger 15 well below the boiling point. For example, it is perfectly adequate to reduce the coolant temperature at the inlet to just 1 below the boiling point. In the case of water as the liquid coolant, the coolant condensate returned to the sump only needs ^{to be cooled to 99 °} C. at atmospheric pressure. The pump then increases the pressure of the coolant to about one atmosphere above atmospheric pressure at the inlet to the heat exchanger. In a preferred embodiment, the coolant in the sump is therefore reduced to a temperature which is not lower than 5 ^° C. below the boiling point of the liquid coolant under the pressure in the sump.

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Claims

-40- claims

1. Method of cooling a heat exchanger, part of which

is shaped into a number of tabs protruding therefrom, characterized in that a stream of liquid coolant is sent through coolant channels defined between adjacent tabs to cool the heat exchanger, sufficient thermal energy is supplied to the heat exchanger so that steam of the liquid coolant is formed on the surface of the heat exchanger and so that at least a portion of the volumetric flow rate of the liquid coolant evaporates, and the liquid KühlmitteIstrom is sent through the coolant channels in the direction along the channels at sufficient speed to achieve a turbulent flow of sufficient size to break up the vaporized part of the liquid refrigerant and remove it from the heat exchanger.

2. The method according to claim 1, characterized in that the outer extremities of adjacent flags are connected to an overlaying strengthening element, which consists of a material higher in strength than that of the material of the flags to stiffen the heat exchanger and the outer wall of the coolant channels formed between adjacent flags.

3. The method of claim 1 or 2, characterized in that the heat exchanger is generally cylindrical and the vanes are helical or helical to define the fluid channels around the outer periphery of the heat exchanger.

4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that at least one volume percent of the volumetric flow rate of the liquid coolant is evaporated.

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- Af-- Af-

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das verdampfte Kühlmittel im flüssigen KühlmitteIstrom kondensiert wird, ohne daß das Kühlmittel in der flüssigen Phase vom Kühlmittel5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the evaporated coolant is condensed in the liquid KühlmitteIstrom without the coolant in the liquid phase of the coolant in der Dampfphase getrennt wird.is separated in the vapor phase.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittelkondensat bei einer Temperatur zirkuliert wird, die nicht mehr als 5 ⁰C unter dem Siedepunkt des flüssigen Kühlmittelkondensats liegt.6. The method according to claim 5, characterized in that the coolant condensate is circulated at a temperature which is not more than 5 ⁰ C below the boiling point of the liquid coolant condensate.

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