DE2740397C3

DE2740397C3 - Wärmeaustauscherwand

Info

Publication number: DE2740397C3
Application number: DE2740397A
Authority: DE
Inventors: Frank Amherst N.Y. Notaro
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1976-09-09
Filing date: 1977-09-08
Publication date: 1983-12-15
Also published as: BE858531A; CA1079264A; ES462207A1; JPS633239B2; DK401077A; IL52906A0; FR2364423A1; JPS5333453A; DE2740397B2; DE2740397A1; NO773108L; AU2865977A; ES464299A1; GB1588741A; US4154294A; NL7709896A; BR7705965A; SE7710095L

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauscherwand aus kompaktem Metall, an deren einer Seite Metaflteilchen mit allseitigem Abstand zueinander einschichtig befestigt sind.

Bei einer bekannten Wärmeaustauscherwand dieser Art (DE-AS 21 57 807) sind als Metallteilen polykristalfine Metallwhisker vorgesehen, die aufgrund ihres geringen Durchmessers eine große Oberfläche je Volumeneinheit haben, deren Länge mindestens der Dicke der an der Oberfläche der Wärmeaustauscherwand ausgebildeten laminaren Grenzschicht entspricht and die vorzugsweise über diese Grenzschicht hinaus in das strömende Medium hineinragen. Die Metallwhisker sollen zweckmäßig parallel zueinander und senkrecht zu der Wärmeaustauscherwand angeordnet sein sowie aus ferronaagnetischem Material bestehen, um durch ein Magnetfeld ausgerichtet werden zu können. Die Befestigung der Metallwhisker an der Wärmeaustauscherwand soll durch Metallabscheidung oder Elektronenstrahlschweißen erfolgen. Die Ausbildung einer solchen mit Whiskern überzogenen Wärmeaustauscherwand ist aber, wenn überhaupt nur mit extrem hohem technischem Aufwand möglich.

Bei dem indirekten Obergang von Wärme zwischen Fluiden 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 Niederiemperaturmedium, 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 Mantelscite bei Mantel-Röhren-Wärmeaustnusrhprn

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 Ma3 des Kondensationswärmeübergangs verbessern. Gregorigs Arbeit basiert auf der Kondensation von Dampf; es wird ein Oberflächenaufbau mit speziellen Abmessungen entsprechend den dort genannten mathematischen Ableitungen benutzt, um einen maximalen Kondensationsv/irkungsgrad zu erzielen. Die Oberfläche von Gregorig 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. Iu der Nachbarschaft des Bereichs der Erhebung oewirkt die Konvexität der Wärmeübergangsfläche einen Oberdruck des Fluiddrucks des Kondensatfilms mit Bezug auf eine flache Flüssigkeitsoberfläche. Der höhere Druck des Kondensats ist auf seine Oberflächenspannung und die konvexe Krümmung des Films zurückzuführen. In dem Talbereich herrscht auf Grund der konkaven Oberflächenkrümmung ein niedrigerer Druck. Es wird ein resultierender Druckgradient in der Richtung von der Erhebung zum Tal ausgebildet, so'daß Flüssigkeit, die in. der Nachbarschaft der Erhebungen kondensiert, leicht in die Täler strömt, durch die sie unter dem Einfluß der Schwerkraft hindurchfließt. Insgesamt wird dadurch die Kondensatfiimdicke auf den Erhebungen oder Kämmen minimiert; es kommt zu einem entsprechenden Anstieg der Wärmeübergangszahl.

Die Oberflächen, die zur Anwendung der Lehre von G r e g ο r i g 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 N i c ο I und M e d w e 11 (»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 Reynölds-Zahl derjenigen von mit Sand aufgerauhten Rohren ähnelt, die von Nikuradse (»Strömungsgesetze 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 fühlbare·: Wärme begünstigen, indem sie die Teilschicht der Fiuidgrenzschicht aufreißen und dadurch deren Tiefe und Widerstand gegenüber dem Übergang von Wärme herabsetzen (P. Dipprey und R. S ab er sky »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 Nico 1 —Medweil 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 M ed well maßen lokalisierte Wärmeübergangszahlen, die 400% derjenigen von Rohren mit glatter Oberfläche betrugen. Ober 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 gegenüb·?. dem für Gregorig-Oberflächen berichteten Beiriebsverh?Uen dar; infolgedessen hat die Technologie von Nicol — Medwell kein kommerzielles Interesse erregt.
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 befestigen, die untereinander verbundene Poren aufweist. Solche. Schichten sind jedoch für einen Kondensationswärmeübergang ungeeignet, weil das flüssige Kondensat nicht ausreichend abgeleitet werden kann.

Des weiteren ist ein Wärmeübertragungsrohr bekannt (DE-OS 2340 711), das auf seiner äußeren Oberfläche zusammenhängende pyramidenförmige Erhebungen aufweist, um den Wärmeübergang bei Strömungen im überkritischen Bereich, d. h. bei Re-Zahlen größer 10 000, zu verbessern. Schließlich isi es jaekannt (DE-PS 9 75 075), zur Erhöhung der Wärmeübergangszahl auf der Oberfläche einer Wärmetauscherwand Pyramiden in schachbrettartiger, zusammenhängender Verteilung vorzusehen. In beiden Fällen ist auf die spezielle Problematik des Kondensationswänneübergangs dabei nicht eingegangen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Wärmeaustauscherwand zu 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 zwecks Ausbildung einer Druckdifferenz zwischen rlen !convexen Bereichen des Flüssigkeitsfilms an den ss Kuppen der Metallteilchen und den konkaven Bereichen des Flüssigkeitsfilms zwischen den Motallteilchen unter entsprechender Verdünnung des Flüssigkeitsfilmj im konvexen Bereich als Metallteilchen Metallkörper mit einer sich einer kugeligen oder halbkugeligen Gcstalt annähernden Form vorgesehen sind, daß der arithmetische Mittelwert der Höhe e der Metallteüchen 0,13 mm bis 1,52 mm beträgt und daß die von den Metallteilchen nicht bedeckte Fläche der einen Wandseita 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 to 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 μηι mehrschichtig befestigt.

Die Metallkörper können beispielsweise aus einem Gemisch von Kupfer als der größeren Komponente und Phosphor (ein Hartlotlegierungsbestandteil) 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. Entsprechend einer weiteren Ausführungsform, bei der das metallische Substrat Aluminium ist, können die *o 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 Lag?, aus willkürlich verteilten Metallkörpern, die jeweils mit der Außenfläche eines rohrförmigen Substrats verbunden sind (5fache Vergrößerung),

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

Fig.3A eine vergrößerte schematische Aufrißdarstellung eines auf einem Substrat sitzenden einzelnen Nietallkörpers, 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 Li des Metallkörpers angegeben ist,

F i g. 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 vsrbesserten Vorrichtung für den Kondensationswärmeübergang,

F i g. 6 eine grafische Darstellung des Kondensations-■Aärmeübergangszahlenverhältnisses Λ/Λ_Μ aufgetragen über dem Anteil A₁ der aktiven Wärmeübergangsfläche für das Kältemittel Π4 bei einem 6,1 m langen lotrechten Rohr, ,

F i g. 7 eine grafische Darstellung des Kondensations-•.värmeübergangszahlenverhältnisses A/A„ aufgetragen über dem Anteil A, der aktiven Wärmeübergangsfläche :'ür Äthylen bei einem 3,0 m langen lotrechten Rohr,

F i g. 8 eine grafische Darstellung des Kondensations- «ärmeübergangszahlenverhältnisses Λ/Λ» aufgetragen über dem Anteil A, der aktiven Wärmeübergangsfläche für Dampf bei einem 6,1 m langen lotrechten Rohr.

F i g. 9 eine grafische Darstellung des arithmetischen \ ι;.·»!.,.»..»* » -J-- uau~ a~- νϊ..~~. ~..r j._ ei .--.

.•liltfaltthllj t. WW I IUI(I. VIWI l\l/l|/^| aiii UWII UUI/9UOI, aufgetragen über dem Anteil A, 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. I?'.3se 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.-% 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 dissoziierten! 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 Wärmeübergangsvorrichtung 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 Wer» von e für die vorgenannte experimentelle Vorrichtung mit verbessertem Wärmeübergang bei ungefähr 0,711 mm liegt.

Tabelle A	f	(durchgeh	0,089; zurückg.	0,061)
Maschenweile	(mm)
(mm)		(durchgel.	0,150; zurückg.	0,124)
0,053		(durchgeh	0,178; zurückg.	0,150)
0,06!	0,076	(durchgeh	0,249; zurückg.	0,178)
Ö!Ö89		(durchgeh	0,297; zurückg.	0,249)
0,124	0,137	(durchgeh	0,419; zurückg.	0,297)
0,150	0,165	(durchgel.	0,589; zurückg.	0,419)
0,178	0,213	(durchgel.	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 F i g. 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. Fig.3A läßt einen einzelnen Metallkörper erkennen, der auf dem Metallsubstrat eine kleinere Abmessung oder Breite L\ hat, während F i g. 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 Oberflächenspannungskräften 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 Δ_α am äußeren Ende dünner gemacht, wodurch der Wärmeübergang an der konvexen

5 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 A₁ von 030 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 loc recht 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 Fig. 4 entwickelt, wobei das Ablaufen als Nusseltsche Strömungsbedingung, modifiziert zur Anpassung an die willkürliche Verteilung der Körper, beschrieben wird.

Die potentiell aktive Wärmeübergangsfläche 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

so Grund der Kondensation angesammelt hat, die im Bereich der aktiven Fläche A, 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 A₁ in das Kondensat ein und wird unwirksam. Infolgedessen kann der aktive Anteil A₁ der Substratoberfläche A₁ 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 nähen, hat einen weiteren Einfluß auf das Betriebsverhalten. Je größer der Metallkörper ist, desto größer ist der Krümmungsradius der aktiven Fläche A, und desto kleiner und weniger wirksam sind die Kräfte, die zu einem Verdünnen oder Abstreifen des Fiims 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 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 Fläche sowie von einem resultierenden Verlust hinsichtlich der Verbesserung des Wärmeübergangs begleitet. Es gibt zusätzliche Gründe dafür, daß die aktive Fläche A, 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 z«tiven Fläche durch die hohe Wirksamkeit von kleinen Metallkörpern begegnet werden muß, den Fiim 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 A, 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 verbesserien Kondcnsationsgc rate 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 A₁ 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 rnd 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/m² und 63,1 kW/m' kleiner als 15%.

Tabelle B

Q/A Dampfzusammensetzung

kW/m²

Probe Ge- Vor- Nusselt Nr. messen ausges.

A TC JTC ATC

18,9 Kältemittel

R-114
„ 15,8 Kältemittel

R-114

12,6 Kältemittel
R-114

2 6,1 5,4 30,0 2 4,7 4,1 23,3 2 3,4 2,9 14,4

Fortsetzung

DatKofzusammensetzung

Probe Nr.

Gemessen

A TC

Vorausgcs.

ΔΤ'-C

Nusseil

AT-C

9,5	Kältemittel	2	2,3	7,2	11,7
	R-114
18,9	Kältemittel	1	6,7	5,6	30
	R-114
15,8	Kältemittel	1	5,8	4,1	23,3
	R-114
12,6	Kältemittel	1	5,0	1,4	14,4
	R-114			0,8
94,6	Dampf	1	2,6	0,6	11,7
63,1	Dampf	1	1,6	6,8
47,3	Dampf	Λ 1	0,6	*Λ Α*

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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 A, 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 6,1m 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 Λ einen Höchstwert bei einem optimalen Wert für die Fläche A, der aktiven Wärmeübergangsfläche erreicht. Oberflächen mit /4,-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 Ablauf eigenschaften beeinträchtigt 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 A₁ isoliert wird.

Die F i g. 6 bis 8 lassen auch die Basis für die breiten und engen Bereiche erkennen, die hinsichtlich der Körperhöhe e und des von Körpern freien Raums gegeben sind. Wenn beispielsweise im Falle der F i g. 6 eine Höhe e von 0,51 mm gewählt wird, ist das Kondensationswärmeübergangszahlenverhältnis h/h_u verhältnismäßig niedrig, falls A₁ kleiner als 0,1 oder größer als 0,9 ist Das höchste Kondensationswärmeübergangsverhältnis wird bei einem Λ,-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 naqh F i g. 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-Einzellagenoberflächen innerhalb des bevorzugten Bereichs sind.

Fig.9 wurde aus den Daten der Fig.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, ausgewählt wurden, bei denen die höchste Kondensationswärmeübergangsverbesserung erhalten wird, indem diese Punkte aufgetragen wurden und indem die Punkte mittels eirer Geraden verbunden wurden, die als »optimale Verbesserung« gekennzeichnet ist. Die Gleichung für diese Linie lautet

Λ, = 0,663 χ e«'

(wobei e in mm gemessen ist). Der Praktiker kann daher zunächst die gewünschte Körperhöhe e wählen und dann an Hand der Geraden den /\j-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 Λ,-Werten zugeordneten Seite jeder Kurve für die Metallkörperhöhe e in den F i g. 6 bis 8 ermittelt wurde, der 70% der maximalen Kondensationswärmeübergangsverbesserung h/h_u entspricht. Diese Punkte wurden aufgetragen und unter Bildung der zweiten Geraden miteinander verbunden. Die Gleichung für diese Gerade lautet

A₁ = 0,232x6°·»

(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-Einzelschicht 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 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 Kondensa-

tionsübergangszahl 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 des Gesamtwärmeübergangskoeffizienten (Wärmedurchgangszahl). Bei Verwendung der porösen Mehrfachschicht können jedoch Siedekoeffizienten von 68 kW/m² K erzielt werden. Eine Verbesserung der Kondensationswärmeübergangszahl ausgehend von dem Wert von 2£ kW/m² K für ein glattes Rohr hat einen nahezu proportionalen Einfluß auf den Gesamtwärmeübergangskoeffizienten (Durchgangszahl), so daß eine Einrichtang hergestellt werden kann, die eine Wärmedurchgangszahl von etlichen -zig oder mehreren hundert kW/m² K aufweist

Fig.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 er folgt. Der das obere Ende der unteren Kolonne 11 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 Rücklaufffüssigkeit 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 Sauerstoffseite 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 Erosionsbeständigkeit bestimmt.

Die Metallkörperoberfläche der vorstehend beschriebenen Testprobe weist Kupfer als die größere Komponente und Phosphor als die kleinere Komponente auf. Andere kommerziell vorteilhafte Kombinationen sind u.a. Eisen als größere und Nickel als kleinere Komponente sowie Aluminium als größere und Silicium als kleinere Komponente.

Die Teilchenschicht für einen verbesserten Kondensatianswärmeübergang 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:

I. Wärmeaustauscherwand aus kompaktem Metall, an deren einer Seite Metallteilchen mit allseitigem Abstand zueinander einschichtig befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Ausbildung einer Druckdifferenz zwischen den konvexen Bereichen des Flüssigkeitsfüms an den Kuppen der Metallteilchen und den konkaven Bereichen des Flüssigkeitsfflms zwischen den Metallteilchen unter entsprechender Verdünnung des Flüssigkeitsfilms im konvexen Bereich als Metallteilchen Metallkörper mit einer sich einer kugeligen oder halbkugeligen Gestalt annähernden Form vorgesehen 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. Wärnreaustauscherwand 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 W% 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. Wärmeaustauscherwand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr einen Außendurchmesser zwischen 15 is.n und 51 mm hat.
6. Wärmeaustauscherwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der anderen Wandseite Metallteilchen unter Bitdung von untereinander verbundenen, Kapillargröße aufweisenden Poren mit einem äquivalenten Porenradius von weniger als 115μιτι mehrschichtig befestigt sind.
7. Wärmeaustauscherwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen jeweils aus einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Einzelteilchen 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.
II. 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 kleineren Komponente bestehen.
12. Verwendung der Wärmeaustauscherwand nach einem der Ansprüche 4 bis 11 für die Hersteflungvon Rohrbündelwärmeaustauschern.