DE2740397B2

DE2740397B2 - Wärmeaustauscherwand

Info

Publication number: DE2740397B2
Application number: DE2740397A
Authority: DE
Inventors: Frank Amherst N.Y. Notaro (V.St.A.)
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1976-09-09
Filing date: 1977-09-08
Publication date: 1979-04-12
Also published as: SE7710095L; DE2740397C3; ES462207A1; GB1588741A; NL7709896A; JPS633239B2; IL52906A0; JPS5333453A; NO773108L; FR2364423A1; BE858531A; DE2740397A1; US4154294A; DK401077A; ES464299A1; AU2865977A; CA1079264A; BR7705965A

Description

nung und die konvexe Krümmung des Films zurückzuführen. In dem Talbereich herrscht auf Grund der konkaven Oberflächenkrümmung ein niedrigerer Druck. Es wird ein resultierender Druck^radient in der Richtung von der Erhebung zum Tal ausgebildet, so daß Flüssigkeit, die in der Nachbarschart der Erhebungen kondensiert, leicht in die Täler strömt, durch die sie unter dem Einfluß der Schwerkraft hindurchfließt. Insgesamt wird dadurch die Kondensatfilmdicke auf den Erhebungen oder Kämmen minimiert; es kommt zu einem entsprechenden Anstieg der Wärmeübergangszahl.

Die Oberflächen, die zur Anwendung der Lehre von Gregorig entwickelt wurden, beinhalten mit Nuten, Rippen und Kanälen versehene Ausgestaltungen, die erhebliche Änderungen der primären Wärmeübergangsstruktur erfordern und fertigungstechnische sowie wirtschaftliche Nachteile mit sich bringen. Wie zu erwarten ist, spiegeln die Systeme das Bemühen wider, das angesammelte Kondensat leicht abfließen zu lassen; sie sind auf Drainagemittel beschränkt, die einen unbehinderten Strömungsweg für den Austritt von Kondensat bilden.

Entsprechend einem zweiten Versuch, den Kondensationswärmeübergang zu verbessern, werden Mittel vorgesehen, die die Fluidturbulenz in dem Kondensatfilm steigern. Beim Studium einer Oberfläche, die dadurch aufgerauht wurde, daß links- und rechtsgängige Gewinde in die Außenfläche eines Rohrs eingeschnitten wurden, entdeckten Nicol und Medwell (»Velocity Profiles and Roughness Effects in Annular Pipes«, Journal Mech. Eng. Science, Band 6, Nr. 2, Seiten 110 bis 115, 1964), daß die Beziehung zwischen Reibungsfaktor und Reynolds-Zahl derjenigen von mit Sand aufgerauhten Rohren ähnelt, die von Nikuradse (»Strömungs- r> gesetze in rauhen Rohren«, Forech Arb. Ing. Wes. Nr. 361, 1933) studiert worden waren. Es ist bekannt, daß entsprechend den Spiegelbildern von dicht gepackten Sandkörnern aufgerauhte Oberflächen den Übergang von fühlbarer Wärme begünstigen, indem sie die Teilschicht der Fluidgrenzschicht aufreißen und dadurch deren Tiefe und Widerstand gegenüber dem Übergang von Wärme herabsetzen (P. D i ρ ρ r e y und R. Sabersky »Heat and Momentum Transfer in Smooth and Rough Tubes at Various Prandtl Numbers«, Int. Journal, Heat and Mass Transfer, Band 6, Seiten 329 bis 353, 1963). Entsprechend wurden in einer Studie betreffend den Kondensationswärmeübergang von gemäß Nicol — Medwell aufgerauhten Oberflächen (»The Effect of Surface Roughness on Condensing Steam«, Canadian Journal of Chem. Eng., Seiten 170, 173, Juni 1966) die Daten an Hand des die Turbulenz fördernden Einflusses analysiert, den mit Sandkörner aufgerauhte Oberflächen bekanntlich auf die laminare Teilschicht ausüben. Nicol und Medwell maßen lokalisierte Wärmeübergangszahlen, die 400% derjenigen von Rohren mit glatter Oberfläche betrugen. Über die größere Abmessung des getesteten, 2,4 m langen Rohrs wurden jedoch nur Werte in der Größenordnung von 200% des Betriebsverhaltens eines glatten Rohrs «> erhalten. Eine 200%ige Steigerung stellt nur eine marginale Verbesserung gegenüber dem für Gregorig-Oberflächen berichteten Betriebsverhalten dar; infolgedessen hat die Technologie von Nicol — Medwell kein kommerzielles Interesse erregt. h5

Es ist auch bekannt (DE-OS 20 49 499), auf der einen Seite einer aus kompaktem Metall bestehenden Wärmeaustauscherwand Metallteilchen in regelloser Packung mehrlagig unter Bildung einer porösen Schicht zu befestifen, die untereinander verbundene Poren aufweist Solche Schichten sind jedoch für einen Kondensationswärmeübergang ungeeignet, weil das flüssige Kondensat nicht ausreichend abgeleitet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Wärmeaustauscherwand xu schaffen, die eine wesentlich höhere Kondensationswärmeübergangszahl hat, als sie mit bekannten Anordnungen zu erzielen ist, und die auf kommerzieller Massenfertigungsbasis verhältnismäßig kostensparend hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Metallteilchen mit allseitigem Abstand zueinander einschichtig auf der einen Seite der Wand befestigt sind, daß der arithmetische Mittelwert der Höhe e der Metallteilchen 0,13 mm bis 1,52 mm beträgt und daß die von den Metallteilchen nicht bedeckte Fläche der einen Wandseite zwischen 10% und 90% der Gesamtfläche der einen Wandseite beträgt.

Bei den bekannten Vorrichtungen mit verbessertem Nusselt-Kondensationswärmeübergang ging die Entwicklung logischerweise dahin, eine Behinderung des Flüssigkeitsablaufs in den Strömungskanälen dadurch zu minimieren, daß hindernisfreie, gerade Kanäle von minimaler Länge vorgesehen werden, beispielsweise Axialnuten auf der Außenfläche von lotrecht verlaufenden Rohren. Demgegenüber zeigte es sich, daß die gewundenen Flüssigkeitsablaufkanäle, die charakteristisch für die Wärmeaustauscherwand nach der Erfindung sind, keine wesentliche Behinderung der Kondensatabfuhr darstellen. Das Kondensationswärmeübergangsverhalten der Wärmeaustauscherwand nach der Erfindung ist günstig im Vergleich zu dem Betriebsverhalten der besten bekannten Oberflächen und ist der Wirksamkeit von vielen bekannten Lösungen weit überlegen, denen alle das Merkmal von geraden, offenen, hindernisfreien Ablaufkanälen gemeinsam ist. Des weiteren ist die Wärmeaustauscherwand auf der Basis einer kommerziellen Massenfertigung wesentlich weniger kostspielig herzustellen.

Aus den im folgenden näher erläuterten Gründen liegt der arithmetische Mittelwert e der Höhe der Körper vorzugsweise zwischen 0,25 mm und 1,02 mm; vorzugsweise macht ferner der von den Körpern freie Raum zwischen 40% und 80% der Substratgesamtfläche aus. In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind auf der anderen Wandseite Metallteilchen unter Bildung von untereinander verbundenen, Kapillargröße aufweisenden Poren mit einem äquivalenten Porenradius von weniger als 115 μπι mehrschichtig befestigt.

Die Metallkörper können beispielsweise aus einem Gemisch von Kupfer als der größeren Komponente und Phosphor (ein Hartlötlegierungsbestandteil) als einer kleineren Komponente gefertigt sein. Entsprechend einer anderen kommerziell geeigneten Ausführungsform können die Metallkörper aus einem Gemisch von Eisen oder Kupfer als der größeren Komponente sowie von Phosphor und Nickel (letzteres für die Korrosionsbeständigkeit) als kleineren Komponenten bestehen. Einsprechend einer weiteren Ausführungsform, bei der das metallische Substrat Aluminium ist, können die Metallkörper Aluminium als die größere Komponente und Silicium (ein Bestandteil von Hartlötlegierungen) als eine kleinere Komponente enthalten.

Die Wärmeaustauscherwand nach der Erfindung

eignet sich insbesondere für die Herstellung von Rohrbündelwärmeaustauschern.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 in Draufsicht nach unten eine Mikrofotografie einer einzelnen Lage aus willkürlich verteilten Metallkörpern, die jeweils mit der Außenfläche eines rohrförmigen Substrats verbunden sind (5fache Vergrößerung),

F i g. 2 eine vergrößerte schematische Darstellung eines Substrats in Form eines Metallblechs mit drei damit verbundenen Metallkörpern, gesehen von oben,

F i g. 3A eine vergrößerte schematische Aufrißdarstellung eines auf einem Substrat sitzenden einzelnen Metallkörpers, wobei die kleinere Abmessung L\ des Metallkörpers zu erkennen ist,

F i g. 3B eine vergrößerte schematische Aufrißansicht eines auf einem Substrat sitzenden einzelnen Metallkörpers, wobei die größere Abmessung L2 des Metallkörpers angegeben ist,

Fig.4 eine vergrößerte schematische Aufrißansicht einer Kombination von Metallkörpern und Substrat, die den Kondensations-Ablaufmechanismus erkennen läßt,

F i g. 5 ein schematisches Fließbild einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage mit Doppeltkolonne und Hauptkondensator unter Verwendung der verbesserten Vorrichtung für den Kondensationswärmeübergang,

F i g. 6 eine grafische Darstellung des Kondensationswärmeiibergangszahlenverhältnisses h/hu, aufgetragen über dem Anteil A₃ der aktiven Wärmeübergangsfläche für das Kältemittel 114 bei einem 6,1 m langen lotrechten Rohr,

F i g. 7 eine grafische Darstellung des Kondensationswärmeübergangszahlenverhältnisses h/hu, aufgetragen über dem Anteil A₃ der aktiven Wärmeübergangsfläche für Äthylen bei einem 3,0 m langen lotrechten Rohr,

F i g. 8 eine grafische Darstellung des Kondensationswärmeübergangszahlenverhältnisses h/hu, aufgetragen über dem Anteil A₃ der aktiven Wärmeübergangsfläche für Dampf bei einem 6,1 rn langen lotrechten Rohr,

F i g. 9 eine grafische Darstellung des arithmetischen Mittelwerts e der Höhe der Körper auf dem Substrat, aufgetragen über dem Anteil A₃ der aktiven Wärmeübergangsfläche für alle kondensierenden Fluide, wobei eine optimale Verbesserung des Wärmeübergangs und eine Verbesserung um 70% dieses Optimalwerts dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt eine Mikrofotografie einer einzelnen Lage aus willkürlich verteilten Metallkörpern, von denen jeder mit einem rohrförmigen Substrat verbunden ist. Diese Einzellagen-Oberfläche wurde hergestellt, indem zunächst Kupferpulver gesiebt wurde, um ein klassiertes Teilchengemisch zu erhalten, das durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 0,841 mm hindurchging und von einem Sieb mit einer Maschenweite von 0,589 mm zurückgehalten wurde. Die klassierten Teilchen wurden mit einer Lösung von 50 Gew.-% Polyisobuten in Kerosin beschichtet Die mit der Lösung überzogenen Kupferkörner wurden mit einer Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung aus 92 Gew.-°/o Kupfer und 8 Gew.-% Phosphor mit einer Teilchengröße von bis zu 0,044 mm in einem Verhältnis von 80 Teilen Kupferpulver zu 20 Teilen Phosphor-Kupfer-Legierung gemischt. Das Kerosin wurde verdampft, indem das beschichtete Pulver mit einem Zwangsluftstrom erwärmt wurde. Das erhaltene zusammengesetzte Pulver bestand aus Teilchen der Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung, die auf der Oberfläche der Kupferteilchen gleichmäßig angeordnet waren und dort mittels des Polyisobutenüberzuges festgehalten wurden. Das Pulver fühlte sich trocken an und war frei fließend. Ein Kupferrohr mit einem Innendurchmesser von 19,05 mm und einem Außendurchmesser von 28,58 mm wurde mit einer 30%igen Lösung von Polyisobuten in Kerosin überzogen; die vorbeschichteten Teilchen wurden auf die Außenfläche des Rohrs aufgestreut. Das Rohr wurde in einem Ofen bei 871°C 15 Minuten lang in einer Atmosphäre aus dissoziiertem Ammoniak erhitzt und anschließend abgekühlt sowie auf seine Wärmeübergangseigenschaften als verbesserte Wärmeübergangsvorrichtung getestet.

Es ist hervorzuheben, daß die willkürlich verteilten Metallkörper aus einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Teilchen oder aus einem einzigen, verhältnismäßig großen Teilchen bestehen können.

Die oben erläuterte Wärmeübergangsvorrichiung läßt sich durch den arithmetischen Mittelwert e der Höhe der Körper auf dem Metallsubstrat und durch den Prozentsatz kennzeichnen, den der von Körpern freie Raum von der Gesamtsubstratfläche ausmacht, d. h. den Prozentsatz der Substratgesamtfläche, der nicht von der Basis der Körper bedeckt ist. Es wurde experimentell ermittelt, daß e im wesentlichen äquivalent dem arithmetischen Mittelwert aus der kleinsten Sieböffnung, durch die die Teilchen hindurchgehen, und der größten Sieböffnung ist, bei der diese Teilchen zurückgehalten werden. Diese Verhältnisse sind in der Tabelle A zusammengestellt, die erkennen läßt, daß der Wert von e für die vorgenannte experimentelle Vorrichtung mit verbessertem Wärmeübergang bei ungefähr 0,711 mm liegt.

Tabelle A	e	(durchgel.	0,089; zurückg.	0,061)
Maschenweite	(mm)
(mm)		(durchgeh	0,150; zurückg.	0,124)
0,053		(durchgeh	0,178; zurückg.	0,150)
0,061	0,076	(durchgel.	0,249; zurückg.	0,178)
0,089		(durchgeh	0,297; zurückg.	0,249)
0,124	0,137	(durchgeh	0,419; zurückg.	0,297)
0,150	0,165	(durchgeh	0,589; zurückg.	0,419)
0,178	0,213	(durchgeh	0,841; zurückg.	0,589)
0,249	0,274
0,297	0,358
0,419	0,505
0,589	0,711
0,841

Zum Bestimmen des von Körpern freien Raumes wird eine ebene Ansicht der verbesserten Wärmeübergangsvorrichtung vergrößert, wie dies beispielsweise durch die Mikrofotografie nach Fig. 1 dargestellt ist; die Anzahl der Metallkörper je Einheit der Substratfläche wird durch optisches Auszählen bestimmt. Es wurde experimentell beobachtet, daß die Metallkörper eine kreisförmige ebene Projektion haben; die ebene projizierte Fläche eines Körpers beruht auf dem Durchmesser der kreisförmigen Projektion, wodurch eine Basis für das Berechnen der von den Metallkörpern eingenommenen Fläche erhalten wird. Der von Körpern freie Raum der verbesserten Wärmeübergangsvorrichtung wird vorliegend als Prozentsatz der Substratfläche ausgedrückt Auf dieser Basis lag der von

Körpern freie Raum der obengenannten experimentellen Wärmeübergangsvorrichtung bei ungefähr 30% der Gesamtfläche des Substrats.

F i g. 2 zeigt drei Metallkörper a, b und c, die auf dem Metallsubstrat willkürlich angeordnet und mit diesem verbunden sind und die von dem Metallsubstrat im wesentlichen umgeben werden. F i g. 3A läßt einen einzelnen Metallkörper erkennen, der auf dem Metallsubstrat eine kleinere Abmessung oder Breite Li hat, während Fig.3B einen Metallkörper mit einer größeren Abmessung oder Breitenausdehnung Li zeigt. Sowohl L\ als auch Li verlaufen parallel zum Metallsubstrat und senkrecht zur Höhe e. Fig.4 zeigt den Mechanismus des Kondensationswärmeübergangs und der Abführung des Kondensats. Die Konvexität der Metallkörper an ihren Kuppen vergrößert die Oberfläche der Flüssigkeit. Oberflächenspannungskräfien über dem konvexen Film Δο auf diesen Kuppen wird von dem darunterliegenden Metall entgegengewirkt, wodurch die Flüssigkeit des konvexen Films Δο unter Druck gesetzt wird. Im Gegensatz dazu wird der Fluiddruck im Bereich des Strömungskanals Δ oder der Mulde wegen der konkaven Flüssigkeitsoberfläche vermindert. Die Fluiddruckdifferenz bewirkt, daß die Flüssigkeit von den Kuppen der Metallkörper oder dem äußeren Ende aus zum Strömungskanal fließt; im kontinuierlichen Betrieb wird der Film Δο am äußeren Ende dünner gemacht, wodurch der Wärmeübergang an der konvexen Oberfläche verbessert wird. Das Kondensat, das sich in den Strömungskanälen Δ ansammelt, fließt von der Wärmeübergangsvorrichtung unter dem Einfluß der Schwerkraft ab Die oben erläuterte Wärmeübergangstestvorrichtung mit einem Wert e von ungefähr 0,711 mm und einem von Körpern freien Raum von ungefähr 70% oder einer aktiven Wärmeübergangsfläche A_a von 0,30 wird im folgenden als Probe Nr. 1 bezeichnet. Eine zweite Testvorrichtung mit verbessertem Wärmeübergang wurde aus den gleichen, oben beschriebenen Pulvern und entsprechend dem Vorbeschichtungsverfahren hergestellt; das Kupferpulver wurde jedoch von einem Sieb mit einer Maschenweite von 0,589 mm durchgelassen und auf einem Sieb mit einer Maschenweite von 0,419 mm zurückgehalten. Die erhaltene Vorrichtung (im folgenden als Probe Nr. 2 bezeichnet) hatte einen e-Wert von 0,508 mm und einen von Körpern freien Raum von 50% bzw. eine aktive Kondensationswärmeübergangsfläche A, von 0,50. Die Proben Nr. 1 und 2 wurden in einer Anordnung getestet, bei der sowohl Dampf als auch Kältemittel 114 in Kontakt mit der Metallkörper-Einzelschicht kondensiert wurden. Da diese beiden Fluide einen weiten Bereich von Oberflächenspannungen repräsentieren, sind die Schlußfolgerungen aus diesen Versuchen für im wesentlichen alle Fluide anwendbar. Die Rohre waren lotrecht angeordnet; die Wärmezufuhr zur Siedevorrichtung wurde variiert; die Rohrwandtemperatur und die Kondensationstemperaturdifferenz wurden im eingeschwungenen Zustand gemessen.

Es wurde ein mathematisches Modell für die Metallkörper-Einzelschichtoberfläche gemäß F i g. 4 entwickelt, wobei das Ablaufen als Nusseltsche Strömungsbedingung, modifiziert zur Anpassung an die willkürliche Verteilung der Körper, beschrieben wird. Die potentiell aktive Wärmeübergangsfläche A_a ist eine unmittelbare Funktion des Bruchteils der Substratgesamtfläche A_h auf dem die Metallkörper sitzen; es gilt daher, den Wert A„ zu maximieren. Die von den Metallkörpern eingenommene Fläche steht jedoch nicht für das Beseitigen von Kondensat zur Verfügung. In jeder Höhe der lotrecht stehenden Substratoberfläche muß der von Körpern freie Raum ausreichend groß gehalten werden, um unter der Wirkung der Schwerkraft das gesamte Kondensat durchzulassen, das sich auf Grund der Kondensation angesammelt hat, die im Bereich der aktiven Fläche A_B in größerer Höhe stattfindet. Je weniger von Körpern freie Fläche vorgesehen ist, desto tiefer wird die fließende Schicht des angesammelten Kondensats. Bei tiefer werdender Schicht taucht ein immer größerer Teil der aktiven Fläche A_a in das Kondensat ein und wird unwirksam. Infolgedessen kann der aktive Anteil A_a der Substratoberfläche Ai nicht beliebig vergrößert werden, weil andernfalls die den aktiven Anteil einnehmenden Metallkörper den Flüssigkeitsstrom aufstauen und ihr eigenes Eintauchen fördern. Im allgemeinen sollte der von Körpern freie Raum mindestens 10% und vorzugsweise mindestens 40% betragen. Mit anderen Worten, die Metallkörper sollten nicht mehr als 90% der Substratgesamtfläche und vorzugsweise nicht mehr als 60% dieser Fläche ausmachen.

Einschränkungen hinsichtlich des Anteils der Substratgesamtfläche A₁, der von den Metallkörpern eingenommen werden kann, werden des weiteren durch die Größe der Metallkörper beeinflußt. Die meisten in der Praxis auftretenden Formen von Metallkörpern nähern sich einer kugeligen oder halbkugeligen Gestalt, wobei eine Steigerung der Höhe e einen Anstieg des Substratoberflächenbereichs nach sich zieht, der von dem Metallkörper überdeckt wird. Wenn daher die Metallkörpergröße abnimmt, wird die Höhe e des Metallkörpers und damit dessen Vorstehen über die fließende Kondensatschicht kleiner. Wenn umgekehrt die Metallkörpergröße zunimmt, ragt der Metallkörper weiter über die Kondensatschicht vor.

Der Umstand, daß die Metallkörper für gewöhnlich eine Form haben, die sich einer kugeligen oder halbkugeligen Gestalt nähert, hat einen weiteren Einfluß auf das Betriebsverhalten. Je größer der Metallkörper ist, desto größer ist der Krümmungsradius der aktiven Fläche A_a und desto kleiner und weniger wirksam sind die Kräfte, die zu einem Verdünnen oder Abstreifen des Films über dem aktiven Bereich führen.

Je kleiner der Metallkörper ist, desto stärker ausgeprägt sind umgekehrt solche Filmverdünnungseffekte.

Die vorstehend genannten Faktoren stehen in gegenseitiger Wechselwirkung und begrenzen die aktive Fläche auf die folgende Weise: Um sehr hohe

so Anteile an aktiver Fläche zu erzielen, die sich einem Wert von 90% nähern, sollte die Größe e der Körper entsprechend in Richtung auf 1,52 mm gesteigert werden. Dies ist notwendig, damit die Körper hinreichend über die Kondensatschicht vorragen, so daß der aktive Bereich nicht eingetaucht ist Der große Krümmungsradius von solchen großen Körpern bewirkt jedoch, daß der aktive Bereich weniger wirksam im Hinblick auf eine Verdünnung des Kondensatfilms ist Infolgedessen ist ein inkrementaler Anstieg der aktiven Fläche in diesem Bereich von einer inkrementalen Abnahme der Wirksamkeit der aktiven Räche sowie von einem resultierenden Verlust hinsichtlich der Verbesserung des Wärmeübergangs begleitet Es gibt zusätzliche Gründe dafür, daß die aktive Fläche A₁ und die Körperhöhe e 90% bzw. 1,52 mm nicht überschreiten sollten. Große Körper sind in der Regel auf dem Substrat schwieriger sicher zu verankern als kleine Körper. Große Körper und die damit verbundene große

aktive Fläche erfordern für die Herstellung der verbesserten Oberfläche eine große Menge an Metallteilchen; die Fertigungskosten steigen erheblich an. ■ Hohe Anteile an aktiver Fläche sind extrem schwierig zu erzielen, ohne daß es örtlich zum Aufeinanderstapeln von Körpern kommt und der freie Raum von den Körpern überbrückt wird. Des weiteren führen große Körper zu einer Steigerung des Gesamtdurchmessers der rohrförmigen Wärmeübergangselemente, wodurch die Montage derartiger Elemente in Rohrplatten erheblich kompliziert wird und wodurch auch die Gesamtabmessungen des Wärmeaustauschers wesentlich ansteigen.

Werden sehr kleine Metallkörper benutzt, ist deren Krümmungsradius klein; der Filmverdünnungseffekt kann sehr stark sein. Die Körper stehen jedoch nur wenig über die Substratoberfläche vor, was einen großen von Körpern freien Raum erfordert, damit die Tiefe der fließenden Kondensatschicht klein bleibt. Kleine Metallkörper führen daher notwendigerweise zu einer geringen aktiven Fläche. In ähnlicher Weise bedingt eine kleine aktive Fläche notwendigerweise kleine Körper, weil dem Einfluß der kleinen aktiven Fläche durch die hohe Wirksamkeit von kleinen Metallkörpern begegnet werden muß, den Film zu verdünnen.

Die vorstehenden und weitere, noch zu erörternde Faktoren führen daher in der Praxis dazu, daß im allgemeinen der von Körpern freie Raum 90% nicht übersteigen darf oder die aktive Fläche A₃ nicht kleiner als 10% ist, und daß entsprechend die Größe e der Körper nicht unter 0,13 mm liegt. Bei geringeren Anteilen der aktiven Fläche und entsprechend niedrigeren Werten von e suchen Eintaucheffekte jede Verbesserung der Filmverdünnungseffekte zunichte zu machen; die Gesamtbetriebsgüte fällt steil ab. Es wird angenommen, daß durch Wellenbildung oder Turbulenzen in der strömenden Kondensatschicht die kleinen Körper eingetaucht werden und ihre Wirksamkeit stark vermindert wird.

Die oben erwähnte rapide Verschlechterung des Betriebsverhaltens, die mit der Verwendung von sehr kleinen aktiven Flächen verbunden ist, macht eine Qualitätskontrolle der verbesserten Kondensationsgeräte recht schwierig. Die Verschlechterung des Betriebsverhaltens kann bereits bei einem geringen Mangel an aktiver Fläche sehr ausgeprägt sein.

Ein weiterer Grund dafür, den von Körpern freien Raum auf 90% (oder die aktive Fläche A_a auf mindestens 10%) sowie die Körpergröße (oder den Wert e) auf mindestens 0,13 mm zu begrenzen, besteht darin, daß sehr kleine Partikel dazu neigen, während des Aufbringens der Einzellage aus Körpern auf die Substratoberfläche zu agglomerieren und Klumpen zu bilden. Durch die Bildung derartiger Klumpen bleiben relativ große, von Körpern freie Räume bestehen, innerhalb deren sich die laminare Grenzschicht neu bilden und an die Substratoberfläche anlegen kann, wodurch die Verbesserung zunichte gemacht wird.

Schließlich sind kleine Metallkörper stärker empfindlich gegenüber Erosion und Korrosion. Die Lebensdauer von Wärmeaustauschern mit Anordnungen, bei denen die Metallkörper eine Höhe von weniger als 0,13 mm haben, kann daher prohibitiv kurz sein.

In der Tabelle B sind die Daten aus den oben erläuterten Siedetests mit dem Kältemittel 114 und mit Dampf bei unterschiedlichen Wärmeflüssen für die Proben Nr. 1 und 2 zusammengestellt und mit dem Betriebsverhalten verglichen, das auf Grund des obengenannten mathematischen Modells vorhergesagt wurde. Die Daten stützen die Gültigkeit des mathematischen Modells. Der quadratische Mittelwert der Abweichung der experimentellen Daten von den vorausgesagten Koeffizienten ist kleiner als 25% und bei Nichtberücksichtigung der Daten für Dampf bei einem Wert Q/A von 94,6 kW/m? und 63,1 kW/m* kleiner als 15%.

Tabelle B	Γ)	kW/m	20	15,8	2")	9,5	Dampfzusam	ι	Kältemittel	Probe	Ge	Vor-	Nusselt
Q/A	18,9			mensetzung	R-114	Nr.	messen	ausges.
12,6	18,9	Kältemittel		ATQ	AT Q	AT C
	R-114	2	6,1	5,4	30,0
³⁰ 15,8	Kältemittel
	R-114	2	4,7	4,1	23,3
12,6	Kältemittel
	R-114	2	3,4	2,9	14,4
J5 94,6	Kältemittel
63,1	R-114	2	2,3		11,7
47,3	Kältemittel
R-114	1	6,7	7,2	30
Kältemittel
R-114	1	5,8	5,6	23,3
Dampf
Dampf	1	5,0	4,1	14,4
Dampf
	1	2,6	1,4	11,7
1	1,6	0,8	6,8
1	0,6	0,6	4,6

Das mathematische Modell wurde benutzt, um eine Metallkörper-Einzellagenoberfläche zu studieren, bei der e, L\ und Li einander gleich sind und das Außenende der Metallkörper eine halbkugelige Gestalt hat. Im Rahmen dieser Studie wurde das Kondensationswärmeübergangszahlenverhältnis h/h_u für die e-Werte 0,25 mm, 0,51 mm, 0,77 mm und 1,02 mm als Funktion des aktiven Wärmeübergangsanteils A₁ der Metallkörpereinzellagenoberfläche bestimmt. Diese Beziehungen wurden für Kältemittel 114 bei einem 6,1 m langen lotrechten Rohr (F i g. 6), Äthylen bei einem 3,0 m langen, lotrechten Rohr (F i g. 7) und Dampf bei einem 6,1 m langen, lotrechten Rohr (Fig.8) ermittelt In jedem Fall spielt der Rohrdurchmesser keine Rolle, weil die Koeffizienten auf dem Gesamtoberflächenbereich beruhen.

Die F i g. 6 bis 8 zeigen, daß für einen gegebenen Wert der Metallkörperhöhe e die Kondensationswärmeübergangszahl h einen Höchstwert bei einem optimalen

bo Wert für die Fläche A_a der aktiven Wärmeübergangsfläche erreicht Oberflächen mit A_a-Werten, die kleiner als der optimale Wert sind, neigen dazu, je Einheit der Gesamtsubstratfläche eine ungenügende Anzahl von Metallkörpern zu haben. Oberflächen mit Werten A„ für die aktive Wärmeübergangsfläche, die größer sind, als dies für das optimale Betriebsverhalten erforderlich ist, neigen dazu, daß übermäßig viel Metallkörper vorhanden sind, wodurch die Ablaufeigenschaften beeinträch-

tigt werden. Der darauf zurückgehende Anstieg der Kondensattiefe führt zu einem teilweisen oder vollständigen Überfluten der Metallkörperkuppen durch Flüssigkeit, wodurch ein wesentlicher Teil der potentiell aktiven Wärmeübergangsfläche A_a isoliert wird.

Die Fig. 6 bis 8 lassen auch die Basis für die breiten und engen Bereiche erkennen, dh hinsichtlich der Körperhöhe e und des von Körpern freien Raums gegeben sind. Wenn beispielsweise im Falle der Fig. 6 eine Höhe e von 0,51 mm gewählt wird, ist das Kondensationswärmeübergangszahlenverhältnis h/h_u verhältnismäßig niedrig, falls A_a kleiner als 0,1 oder größer als 0,9 ist. Das höchste Kondensationswärmeübergangsverhältnis wird bei einem A_a-Wert innerhalb des bevorzugten Bereichs von 0,2 bis 0,6 und einem von Körpern freien Raum erhalten, der zwischen 40% und 80% der Substratgesamtfläche ausmacht. Im Falle des Beispiels nach Fig. 7 werden die höchsten Kondensationswärmeübergangsverhältnisse mit Körperhöhen zwischen 0,25 mm und 1,02 mm erzielt. Mit anderen Worten, e-Werte von weniger als 0,25 mm und mehr als 1,02 mm haben offenbar Kondensationswärmeübergangsverhältnisse zur Folge, die niedriger als diejenigen für Metallkörper-Einzellagenoberllächen innerhalb des bevorzugten Bereichs sind.

F i g. 9 wurde aus den Daten der F i g. 6 bis 8 und zusätzlichen Daten abgeleitet, die bei Anwendung des mathematischen Modells auf Wärmeübergangsrohre erhalten wurden, deren Länge zwischen 1,5 m und 6,1 m lag. Die F i g. 9 wurde konstruiert, indem die Punkte für die Körperhöhe eund den Wert A_a ausgewählt wurden, bei denen die höchste Kondensationswärmeübergangsverbesserung erhalten wird, indem diese Punkte aufgetragen wurden und indem die Punkte mittels einer Geraden verbunden wurden, die als »optimale Verbesserung« gekennzeichnet ist. Die Gleichung für diese Linie lautet

(wobei e in mm gemessen ist). Der Praktiker kann daher zunächst die gewünschte Körperhöhe e wählen und dann an Hand der Geraden den A₃-Wert finden, der für die gewählte Körperhöhe e zu der maximalen Verbesserung des Kondensationswärmeübergangs führt. Die zweite Gerade in Fig. 1, die mit »70% des Optimalwertes« bezeichnet ist, wurde erhalten, indem zunächst ein Punkt auf der niedrigen 4_a-Werten zugeordneten Seite jeder Kurve für die Metallkörperhöhe e in den F i g. 6 bis 8 ermittelt wurde, der 70% der maximalen Kondensationswärmeübergangsverbesserung Λ/Λυ entspricht. Diese Punkte wurden aufgetragen und unter Bildung der zweiten Geraden miteinander verbunden. Die Gleichung für diese Gerade lautet

Aa=0,232 χ e⁰·⁷²

(e gemessen in mm). Diese Gerade eignet sich für den Praktiker beim Ermitteln der Verbesserung unter Anwendung von wesentlich weniger Metallkörpern von vorgegebener Höhe e, wodurch eine weniger kostspielige verbesserte Wärmeübergangsvorrichtung mit Metallkörper-Einzelschicnt erhalten wird.

Es ist wichtig, sich klarzumachen, daß die mit einlagigen Metallkörpern versehene Oberfläche nach der Erfindung von einer mehrschichtigen porösen Siedeoberfläche wesentlich verschieden ist, wie sie aus der US-PS 33 84 154 bekannt ist und wo Metallteilchen aufeinandergeschichtet und untereinander sowie mit einem Metallsubstrat einteilig verbunden werden, um untereinander verbundene Poren von Kapillargröße auszubilden. Poröse Siedeoberflächen wären für den erfindungsgemäßen Kondensationswärmeübergang nicht geeignet, weil ihre Struktur mit den untereinander verbundenen Poren ein wirkungsvolles Ableiten des flüssigen Kondensats aus dem Wärmeaustauscher

ίο verhindern würde.

Andererseits können poröse, mehrlagige Siedeoberflächen vorteilhaft in Kombination mit der mit einer Einzellage aus Metallkörpern versehenen Oberfläche benutzt werden, wenn das zweite Fluid im Wärmeaustausch mit dem kondensierenden ersten Fluid zum Sieden gebracht werden soll.

Bei Prozessen, bei denen eine Kondensation auf glatten Rohren eintritt, liegt die individuelle Kondensationsübergangszahl typischerweise in der Größenordnung von 2,8 kW/m² K. Infolgedessen beträgt der Gesamtkoeffizient (Durchgangszahl) bei Wärmeaustauschern, die mit glatten Rohren ausgestattet sind, ungefähr 1,87 kW/m² K. Wärmeaustauscher mit einer erfindungsgemäßen verbesserten Kondensationsoberfläche, die hinsichtlich des Koeffizienten auf der Kondensationsseite eine 400%ige Verbesserung zur Folge haben, führen zu einer 200%igen Verbesserung cies Gesamtwärmeübergangskoeffizienten (Wärmedurchgangszahl). Bei Verwendung der porösen Mehr-

jo fachschicht können jedoch Siedekoeffizienten von 68 kW/m² K erzielt werden. Eine Verbesserung der Kondensationswärmeübergangszahl ausgehend von dem V/ert von 2,8 kW/m² K für ein glattes Rohr hat einen nahezu proportionalen Einfluß auf den Gesamt-

Ji Wärmeübergangskoeffizienten (Durchgangszahl), so daß eine Einrichtung hergestellt werden kann, die eine Wärmedurchgangszahl von etlichen -zig oder mehreren hundert kW/m² K aufweist.

F i g. 5 zeigt ein schematisches Fließbild als Beispiel für eine kommerzielle Anwendung der Wärmeaustauscherwand bei einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage mit Doppelkolonne und Hauptkondensator. Kalte Einsatzluft wird über eine Leitung 10 in den unteren Teil einer mit höherem Druck arbeitenden unteren Kolonne 11 eingeleitet und steigt im Gegenstrom zu einer mit Sauerstoff angereicherten Flüssigkeit nach oben, wobei ein Stoffübergang unter Verwendung von in Abstand voneinander angeordneten Destillationsböden 12 erfolgt. Der das obere Ende der unteren Kolonne 11

so erreichende Stickstoffdampf gelangt in einen Hauptkondensator 13 und wird durch Wärmeaustausch mit siedendem flüssigem Stickstoff im unteren Teil der mit niedrigerem Druck arbeitenden oberen Kolonne 14 kondensiert, wodurch Rücklaufflüssigkeit für die untere Kolonne gebildet wird. Die einschichtig angeordneten Metallteilchen befinden sich auf der auf höherem Druck liegenden Stickstoffseite des Hauptkondensators 13. Falls erwünscht, kann eine bekannte poröse mehrlagige Teilchenschicht (US-PS 33 84 154) auf der Sauerstoffsei-

bo te des Hauptkondensators vorgesehen sein.

Bei der praktischen Anwendung der Wärmeaustauscherwand wird die Werkstoffwahl durch wirtschaftliche Erwägungen und Funktionserfordernisse im Hinblick auf die Korrosions- und/oder Erosionsbeständiges keit bestimmt

Die Metallkörperoberfläche der vorstehend beschriebenen Testprobe weist Kupfer als die größere Komponente und Phosphor als die kleinere Komponen-

te auf. Andere kommerziell vorteilhafte Kombinationen sind u.a. Eisen als größere una Nickel als kleinere Komponente sowie Aluminium als größere und Silicium ais kleinere Komponente-.

Die Teilchenschicht für einen verbesserten Konden-

sationswärmeübergang wurde speziell in Verbindung mit der Außenfläche von Rohren erläutert Es versteht sich jedoch, daß sie mit Vorteil bei Metallsubstraten von beliebiger Gestalt verwendet werden kann, so auch bei flachen Platten und Körpern von unregelmäßiger Form.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmeaustauscherwand aus kompaktem Metall, an deren einer Seite Metallteilchen befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen mit allseitigem Abstand zueinander einschichtig auf der einen Seite der Wand befestigt sind, daß der arithmetische Mittelwert der Höhe e der Metallteilchen 0,13 mm bis 1,52 mm beträgt und daß die von den Metallteilchen nicht bedeckte Fläche der einen Wandseite zwischen 10% und 90% der Gesamtfläche der einen Wandseite beträgt.

2. Wärmeaustauscherwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der arithmetische Mittelwert der Höhe e der Metallteilchen 0,25 mm bis 1,02 mm beträgt

3. Wärmeaustauscherwand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Metallteilchen nicht bedeckte Fläche der einen Wandseite zwischen 40% und 80% der Gesamtfläche der einen Wandseite beträgt

4. Wärmeaustauscherwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand rohrförmig ist und die eine Wandseite die Rohraußenseite ist.

5. Wärmeaustaijscherwand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr einen Außendurchmesser zwischen 15 mm und 51 mm hat.

6. Wärmeaustauscherwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der anderen Wandseite Metallteilchen unter Bildung von untereinander verbundenen, Kapillargröße aufweisenden Poren mit einem äquivalenten Porenradius von weniger als 115μηι mehrschichtig befestigt sind.

7. Wärmeaustauscherwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen jeweiis aus einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Einzeltcilchen bestehen.

8. Wärmeaustauscherwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen aus einem Gemisch von Kupfer als der größeren Komponente und Phosphor als einer kleineren Komponente bestehen.

9. Wärmeaustauscherwand nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen aus einem Gemisch von Eisen als der größeren Komponente sowie von Phosphor und Nickel als kleineren Komponenten bestehen.

10. Wärmeaustauscherwand nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen aus einem Gemisch von Kupfer als der größeren Komponente sowie von Phosphor und Nickel als kleineren Komponenten bestehen.

11. Wärmeaustauscherwand nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen aus einem Gemisch von Aluminium als der größeren Komponente und Silizium als der bo kleineren Komponente bestehen.

12. Verwendung der Wärmeaustauscherwand nach einem der Ansprüche 4 bis 11 für die Herstellung von Rohrbündelwärmeaustauschern.

b5 Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauscherwand aus kompaktem Metall, an deren einer Seite Metallteüchen befestigt sind

Bei dem indirekten Übergang von Wärme zwischen Fliiiden spielen drei Widerstände eine Rolle. Ein erster Widerstand ist der Hochtemperatur-Wärmequelle zugeordnet; die die Fluide trennende Wand bildet einen zweiten Widerstand; ein dritter Widerstand ist der Niedertemperatur-Wärmesenke zugeordnet Bei Systemen, die die Verwendung eines Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit erlauben, ist der Widerstand der trennenden Wand gegenüber dem Durchgang von Wärme klein; das Maß, mit dem Wärme übertragen wird, wird daher im wesentlichen durch die Strömungsbedingungen und die Eigenschaften der fluiden Medien bestimmt Im Falle der Niedertemperatur-Wärmesenke sind für den Übergang von fühlbarer Wärme Koeffizienten in der Größenordnung von 5,7 kW/m² K erzielbar. Für Prozesse mit einem siedenden Niedertemperaturmedium, bei denen in der aus den US-PS 33 84 154 oder 34 54 081 bekannten Weise gearbeitet wird, lassen sich Koeffizienten von 45 bis 68 kW/m² K erreichen. Der der Hochtemperaturwärmequelle zugeordnete Widerstand bestimmt häufig das Maß des Wärmedurchgangs, und zwar insbesondere bei Prozessen, bei denen eine Kondensation auftritt, wo Koeffizienten von weniger als 2,8 kW/m² K allgemein anzutreffen sind. Bei solchen Systemen stellt der Flüssigkeitsfilm, der sich auf der Kondensationsoberfläche bildet, den Hauptwiderstand gegenüber dem Wärmedurchgang dar; er ist besonders hoch bei Mantel-Röhren-Anordnungen, wo eine Kondensation an der Außenseite der Rohre auftritt und Kondensat unter dem Einfluß der Schwerkraft von der Oberfläche abfließt.

Es sind verschiedene Oberflächenausgestaltungen bekannt, die die Wärmedurchgangsraten bei Prozessen verbessern, bei denen eine Kondensation auftritt und das Kondensat von der Oberfläche unter dem Einfluß der Schwerkraft abfließt. Die Kondensation an der Mantelseite bei Mantel-Röhren-Wärmeaustauschern stellt ein Beispiel für derartige Prozesse dar.

G r e g ο r i g (»An Analysis of Film Condensation on Wavy Surfaces« Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik, Band 4, Seiten 40 bis 49) beschreibt ein Verfahren, das den Druckgradienten ausnutzt, der mit Änderungen des Flüssigkeitsoberflächenprofils auf Grund von Oberflächenspannung verbunden ist. Diese allgemeinen Grundsätze wurden mit Erfolg für den Entwurf einer Reihe von Ausgestaltungen angewendet, die das Maß des Kondensationswärmeübergangs verbessern. Gr ego rigs Arbeit basiert auf der Kondensation von Dampf; es wird ein Oberflächenaufbau mit speziellen Abmessungen entsprechend den dort genannten mathematischen Ableitungen benutzt, um einen maximalen Kondensationswirkungsgrad zu erzielen. Die Oberfläche von Gregor ig ist für eine Anwendung auf der äußeren Kondensationsoberfläche von lotrecht verlaufenden Kondensationsrohren bestimmt; die betreffende Ausgestaltung läßt sich als eine Folge von einander abwechselnden, abgerundeten Erhebungen und Tälern beschreiben, die in Axialrichtung über die volle Länge des Rohrs verlaufen. In der Nachbarschaft des Bereichs der Erhebung bewirkt die Konvexität der Wärmeübergangsfläche einen Überdruck des Fluiddrucks des Kondensatfilms mit Bezug auf eine flache Flüssigkeitsoberfläche. Der höhere Druck des Kondensats ist auf seine OberflächensDan-