DE3327125A1

DE3327125A1 - Kuehlvorrichtung

Info

Publication number: DE3327125A1
Application number: DE19833327125
Authority: DE
Inventors: Alan David Filton Bristol Hart
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1982-07-30
Filing date: 1983-07-27
Publication date: 1984-02-02
Also published as: GB2124742A; GB2124742B; GB8320246D0

Description

• « 9

Kühlvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen einer erhitzten Oberfläche und einem Kühlmittel, das mit der Oberfläche in Berührung steht. Hierbei wird das Phänomen benutzt, welches als "Blasensieden oder Bläschensieden" bekannt ist.

Bevor der Siedepunkt des Kühlmittels erreicht ist, erfolgt eine Wärmeübertragung allgemein durch Konvektion und dabei verbleibt das Kühlmittel in seiner flüssigen Phase. Wenn der Siedepunkt des Kühlmittels erreicht ist, dann dauert die Einphasen-Konvektion fort, und zwar in Verbindung mit einem Bläschensieden, wobei die Blasen an bestimmten Stellen der zu kühlenden Oberfläche auftreten. Es hat sich gezeigt, daß der Wärmefluß (d.h. die" Wärmeübertragung pro Flächenein-

2
heit der Oberfläche in W/cm ) durch das Blasensieden sehr verbessert werden kann. Wenn die Temperatur ansteigt, dann folgt dem Bläschensieden ein Phänomen, welches als "Filmsieden" bekannt ist. Hierbei wird ein Film über der Oberfläche erzeugt und es hat sich gezeigt, daß sobald dieser Film vorhanden ist, der Wärmefluß sich verflacht oder sogar vermindert wird.

Die Bedingung,auf die vorstehend Bezug genommen wurde besteht darin, daß eine Übererhitzung stattfinden kann (d.h. die Temperatur steigt über den Siedepunkt des Kühlmittels an), ohne daß ein Blasensieden auftritt. Unter diesen Umständen ist der beim Blasensieden

auftretende hohe Wärmefluß nicht vorhanden, obgleich die Temperatur ansteigt und die Temperatur der Oberfläche kann sich erhöhen. Wenn das Blasensieden einsetzt» dann wird natürlich durch den hiermit ver knüpften höheren Wärmefluß die Oberflächentemperatur vermindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kühlvorrichtung zu schaffen, bei der ein Blasensieden im Betrieb einsetzt und aufrecht erhalten wird, so daß die Temperaturabweichungen auf der Oberfläche vermindert werden.

Die Erfindung geht aus von einer Kühlvorrichtung mit einer zu kühlenden Oberfläche und einem flüssigen Kühlmittel, welches diese Oberfläche benetzt. Hierbei wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Heizvorrichtung auf der zu kühlenden Oberfläche vorgesehen wird, durch die das Kühlmittel benachbart zu der zu kühlenden Oberfläche auf eine Temperatur gebracht wird, bei der ein Blasebsieden einsetzt und aufrecht erhalten wird.

Wenn die Oberfläche so behandelt wurde, daß die Blasensiedecharakteristik verbessert wird, wie beispielsweise in der US-PS 43 12 012 beschrieben, dann wird vorzugsweise der das Heizelement bildende Überzug so gewählt, daß er sich allen Feinheiten der zu behandelnden Oberfläche anpaßt, und demgemäß wird zweckmäßigerweise ein Ablagerungsüberzug gewählt.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen :

Fig. 1 eine typische graphische Darstellung des Wärmeübergangs bekannter Vorrichtungen, bei denen die zu kühlende Oberfläche in ein Kühlmittel eingetaucht ist- Der Wärmefluß, d.h. die

Wärmeübertragung pro Flächeneinheit

2
(W/cm ) ist hierbei vertikal aufgetragen. Die Temperatur, d.h. die Differenz zwischen der Oberflächentemperatur und dem Kühlmittel ( Δ. T°) ist horizontal auf der Abszisse aufgetragen. Da die Kühltemperatur so nahe als möglich am Siedepunkt aufrechterhalten wird und daher praktisch konstant ist, liefert A T eine Anzeige der Oberflächentemperatur 4

Fig. 2 einen Querschnitt der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III gemäß Fig. 2;

Fig. 4 einen stark vergrößerten Querschnitt der Oberfläche der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß Fig. 2 und 3.

Im folgenden wird zunächst auf Figur 1 Bezug genommen. Wenn der Wert von Δ Τ ansteigt, steigt der Wärmefluß nur langsam an, wie durch die Kurve A-B dargestellt ist. Bei einem Wert von & T weit darüber kann ein Blasensieden auftreten und die Kurve zeigt, daß unter gewissen Umständen die übliche Konvektionswärmeübertragung weiter andauert, und da dies nur von einem geringen Wärmefluß begleitet ist, sieht man wie die Temperatur des & T ansteigt.

Nachdem das Blasensieden einmal eingesetzt hat, was durch die rückläufige Kurve B-C erkennbar wird, beginnt die Temperatur zu fallen, wenn der Wärmefluß einsetzt, der mit diesem Phänomen verknüpft ist. Die Kurve D-E veranschaulicht das Filmsieden, welches dem Blasensieden folgt. In diesem Bereich verflacht sich das Ansteigen des Wärmeflusses beträchtlich.

In jenem Band von Δ. T-Werten, in dem sowohl eine Konvektion als auch eine Blasensieden-Wärmeübertragung stattfindet, hat es den Anschein, daß gewisse Bereiche der Oberfläche durch Konvektion gekühlt werden und manche Bereiche vorherrschend durch Blasensieden. Da die letztere Kühlwirkung einen höheren Wärmefluß ergibt, können die Stellen, an denen nur eine Konvektion auftritt, als heiße Stellen erkennbar werden. Bei gewissen Anwendungen ist dies nicht zulässig.

Gemäß Fig. 2 weist die Wärmeübertragungsvorrichtung einen Kühlmittelbehälter 1 auf, der einen Boden 2 und eine Entlüftung 4 aufweist. Der Boden 2 besitzt

O ♦ ·

re« β 0 β

eine Einsatzwand 3 aus Aluminiumoxid und eine Oberfläche ist vom Kühlmittel benetzt- Die Entlüftung 4 ist strömungsmittelgekühlt, so daß jeder Dampf, der austritt, kondensiert und in den Behälter zurückgeführt wird.

Das Kühlmittel ist ein flüssiger Fluorkohlenwasserstoff (z.B. ARCTON oder FLUTEC). Der Behälter enthält Prallplatten 5 und 6 sowie eine Heizeinrichtung 7 zum Halten der Temperatur. Letzterer hält das Kühlmittel auf einer Temperatur, die ein Blasensieden aufrechterhält .

In Wärmeübertragungsverbindung mit der Einsatzwand 3 ist eine nicht dargestellte Vorrichtung vorgesehen, die im Betrieb einer Kühlung bedarf.

Die eintauchende Oberfläche der Einsatzwand 3 ist mit einem dünnen abgelagerten Nickel-Chromüberzug 8 versehen, der ein Hi Ifsheizelement bildet. In Fig. 4 ist dargestellt, wie der abgelagerte Überzug 8 der Kontur der Oberfläche folgt, so daß keine Blasenstellen beispielsweise bei 9 unwirksam gemacht werden. Bei sind elektrische Leiter angeschlossen. Gemäß der Darstellung ist das Hilfsheizelement direkt auf der Wand 3 abgelagert, jedoch kann dies auch dicht benachbart zur Wand angeordnet werden. In diesem Fall wird die Wand 3 in spezieller Weise vorbereitet, um Stellen für die Bläschen zu schaffen, und dann kann das Heizelement auch ein Gitter oder von poröser Struktur sein.

Der Wärmeausgang dieses Heizelementes und seine Lage an der Trennfläche zwischen der Wand 3 und dem Kühl-

8 -

mittel wird so gewählt, daß ein Blasensieden einsetzt und, nachdem es einmal eingesetzt hat, auch aufrecht erhalten wird. So beträgt der Wärmefluß etwa 2 W/cm .Gemäß der graphischen Darstellung nach Fig. 1 wird der Bereich C-D durch die beschriebene Heizanordnung aufrechterhalten, so daß eine nahezu isotherme Wärmeübertragung im Betrieb erhalten wird. In diesem Zusammenhang wird der Ausdruck "isotherm" benutzt, um die Wärmeübertragung bei konstanter Temperatur zu beschreiben, d.h. jene, die in der Kurve C-D dargestellt ist und dieser Bedingung angenähert ist.

Zusätzlich liefert die beschriebene Anordnung eine kurze Zeitkonstante, d.h. daß der hohe Wärmefluß bei Blasensieden fortdauert, selbst wenn die der Wand 3 zugeordnete Vorrichtung nicht genügend Wärme erzeugt (z.B. wenn sie abgeschaltet ist), um das Blasensieden aufrecht zu erhalten.

Wenn die zu kühlende Vorrichtung selbst in das Kühlmittel eingetaucht ist, dann wird diese Oberfläche mit dem paßgerechten überzug 8 versehen.

Die beschriebene und dargestellte Vorrichtung ermöglicht den Einsatz des Blasensiedens und eine Aufrechterhaltung im Betrieb, so daß die Temperaturabweichungen der jeweiligen Oberflächen vermindert werden und möglicherweise, aber nicht notwendigerweise ein relativ gleichförmiger Wärmefluß über der Oberfläche aufrechterhalten wird.

In gleicher Weite werden Temperaturabweichungen des Kühlmittels vermindert, da das Blasensieden schnell an der zu kühlenden Oberfläche einsetzt und die Flüssigkeit nicht übermäßig erhitzt zu werden braucht, damit ein derartiges Blasensieden an der Oberfläche einsetzt.

Claims

Patentanwälte Dipl.-1 ng. Curt WaI I ac

ο. .λ— ·°'·^·^:» ί«°'» · ^oo-Plpl.-Phys. Dr. Tino Haibacl European Patent Atto/aejr·..· ·..··..· '.."L^ , , _o . c: i^i

Dspl.-lng. Rainer Feldkami

D-eOOO München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 7& · Telex 5 29 513 wakai

Datun,: 27. Juli 1983

British Aerospace uns«zeichen: 1.7 743 - K/Ap

Public Limited Company

100, Pall Mall,

London, SWIY 5HR QQO719 ζ

England ^ö ^{JZ y} ' ^z°

Kühlvorrichtung

ΓΝ Patentansprüche:

3(1./ Kühlvorrichtung mit einer zu kühlenden V /

Oberfläche und einem flüssigen Kühlmittel,

in das die Oberfläche eintaucht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizvorrichtung (8) an der zu kühlenden Oberfläche vorgesehen ist, wodurch das Kühlmittel benachbart zu der zu kühlenden Oberfläche auf eine Temperatur gebracht wird, bei der ein Bläschensieden einsetzt und aufrechterhalten wird.

•\ 2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1,

V*" dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrich

tung (8) aus einem elektrischen Element besteht, welches auf der zu kühlenden Oberfläche (3) oder dicht benachbart hierzu vorgesehen wird.

Kühlvorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (8)

auf der zu kühlenden Oberfläche (3) abgelagert

ist.

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das abgelagerte

I ( .2

Element (3) 1 χ 10"⁸m dick ist und die übertragene Wärmemenge etwa 2 W/cm beträgt.