DE3341737C2

DE3341737C2 - Wärmetauscher mit Flüssigkeitsfilmverdampfung

Info

Publication number: DE3341737C2
Application number: DE3341737A
Authority: DE
Inventors: Takahiro Daikoku; Heikichi Kuwahara; Tadakatsu Nakajima; Wataru Kashiwa Nakayama; Akira Ibaraki Yasukawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-11-19
Filing date: 1983-11-18
Publication date: 1986-09-11
Also published as: JPH0459555B2; GB2131538A; DE3341737A1; GB8330415D0; JPS5993181A; GB2131538B; US4585055A

Abstract

Der Wärmetauscher mit Flüssigkeitsfilmverdampfung hat eine Vielzahl von Wärmeübertragungseinheiten. Jede Einheit hat eine Vielzahl von ebenen Wärmeübertragungsleitungen mit quadratischem Querschnitt, die mit einer Vielzahl von Warmwasserkanälen versehen sind, welche sich senkrecht zur Strömungsrichtung des flüssigen Mediums erstrecken. Weiterhin hat jede Einheit eine Vielzahl von flüssigkeitsverteilenden Trägern, die mit einer Vielzahl von Aussparungen versehen sind. Die Wärmeübertragungsleitungen und die flüssigkeitsverteilenden Träger sind in den jeweiligen Einheiten alternierend angeordnet. Die Wärmeübertragungseinheiten sind an Stellen im Abstand voneinander in Strömungsrichtung des flüssigen Mediums positioniert. An Stellen zwischen benachbarten Wärmeübertragungseinheiten sind Dampffreigabeöffnungen vorgesehen. Jede Wärmeübertragungsleitung hat auf der einen Oberfläche eine poröse Materialschicht, die eine Wärmeaustauschfläche bildet, auf welcher ein Film des flüssigen Mediums für die Verdampfung gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit Flüssigkeitsfilmverdampfung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher, aus der GB-PS 2 61 731 bekannter Wärmetauscher hat einen Behälter in Form eines zylindrischen Mantels, der oben und unten durch eine Platte abgeschlossen ist. Zwischen den Platten erstrecken sich vertikal im Abstand nebeneinander angeordnete Rohre, deren Einlasse und Auslässe durch die Platten hindurchgehen und in eine obere bzw, untere Kammer münden. Die obere Kammer hat einen Anschluß für die Zuführung einer wärmeabgebenden Flüssigkeit, die in den Rohren nach unten in eine untere Kammer strömt, aus der die Flüssigkeit über einen weiteren Anschluß abgezogen wird. Zwischen der oberen und unteren Platte sind in Abständen horizontale wannenförmige Verteilerböden angeordnet, die abwechselnd an gegenüberliegenden Wandbereichen befestigt sind und sich jeweils nicht ganz bis zum anderen Wandbereich erstrecken, wobei wenigstens dem obersten wannenförmigen Verteilerboden ein Anschluß für die Zuführung einer wärmeaufnehmenden Flüssigkeit zugeordnet ist. Die in den Wannenböden befindliche Flüssigkeit strömt durch die ringförmigen Öffnungen um die Rohre herum in Form eines Films an der Rohraußenseite nach unten und steht dabei in Wärmeaustausch mit der an der Rohrinnenwand ebenfalls in Form eines Films entlanggeführten Flüssigkeit. Bei entsprechender Wahl der Siedepunkte und der Temperaturgefälle kann die an den Rohraußenseiten in Form eines Film strömende Flüssigkeit verdampfen. Dieser Dampf steigt dann innerhalb des Mantels zickzackförmig zwischen den Verteilböden nach oben und wird durch einen am Mantel vorgesehenen Anschluß abgeführt Sich auf der unteren Platte ansammelnde Flüssigkeit wird über ein Rohr abgezogen, nach oben gepumpt und dem oberen wannenförmigen Verteilerboden wieder zugeführt.

Der bekannte Wärmetauscher hat für den nach oben strömenden Dampf einen sehr hohen Strömungswiderstand. Trotz der in Abständen vorgesehenen wannenförmigen Verteilerböden und der dadurch möglichen Erneuerung des vertikal an den Rohraußenflächen nach unten laufenden Flüssigkeitsfilms lassen sich Trockenstellen aufgrund ungleichförmiger Verdampfung an den Rohren nicht vermeiden, wodurch der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers nachteilig beeinflußt wird. Ein Behältersieden im unteren Bereich des Mantels ist nicht vorgesehen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, den Wärmetauscher der gattungsgemäßen Art raumsparend so auszubilden, daß auch bei Abweichungen von der Auslegungsbelastung eine hohe Wärmeaustauschleistung bei geringem Strömungswiderstand für den gebildeten Dampf erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher hat eine sehr kompakte Bauweise mit einer hohen Wärmeübertragungsfläche pro Volumeneinheit Der Strömungswiderstand des im Wärmetauscher erzeugten Dmpfes kann trotz der kompakten Bauweise gering gehalten werden.

Durch die Anordnung der porösen Materialschichten lassen sich sehr hohe Wärmestromdichten erzielen und ein günstiger Austauschwirkungsgrad auch bei Belastungsschwankungen beibehalten.
Mit der Maßnahme nach Anspruch 3 ist es möglich, bei Belastungsschwankungen einen Selbstregulierungseffekt aufgrund des im unteren Bereich stattfindenden Behältersiedens und des Filmverdampfer im oberen Bereich des Wärmetauschers zu bewirken, da durch diese beiden unterschiedlichen Arten der Verdampfung dem wärmeaufnehmenden Medium unterschiedliche W^rmeübergangszahlen zuzuordnen sind.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert Es zeigt
Fi g. 1 schematisch im Vertikalschnitt einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher,

F i g. 2 perspektivisch Teile von zwei Wärmeaustauscheinheiten des Wärmetauschers von F i g. 1,

F i g. 3 perspektivisch in einer Einzelheit die Ausgestaltung einer porösen Materialschicht und

F i g. 4 anhand einer Einzelheit der porösen Materialschicht im Schnitt den Mechanismus des Wärmeaustausches.

Der in F i g. 1 gezeigte Wärmetauscher hat zwei Gruppen von Wärmeaustauscheinheiten 20 und 20', von denen eine 25 in einer unterteilten Kammer 13 angeordnet ist, welche mit einem flüssigen Medium 12 gefüllt ist. Über der Wärmeaustauscheinheit 20 ist ein Sumpf 21 des flüssigen Mediums angeordnet, der in Verbindung

mit der unterteilten Kammer 13 über Rohre 17 und ein Gehäuse 18 gehalten ist, in dem die Wärmeaustauscheinheiten 20, 20' und 25 sowie der Sumpf 21 für das flüssige Medium aufgenommen sind. Auf gegenüberliegenden Seiten der Wärmeaustauscheinheiten 20 und 2C sind Führungswände 19 angeordnet, um einen flüssigen Film 8 gegenüber einem dampfförmigen Medium 10 zu schützen, das in einem nach oben gerichteten Strom fließt, wodurch ein Flüssigkeitskanal 26a von einem Dampfkanal 26b getrennt wird. Zwischen den Führungswänden 19 und den Wärmeaustauscheinheiten, die sich auf einer niedrigeren Höhe als die Führungswände

19 befinden, sind Dampfabführöffnungen 24 ausgebildet Der Sumpf 21 für das flüssige Medium ist an seiner oberen Wand mit einer Einlaßöffnung 28 und an seiner unteren Wand mit einer Vielzahl von öffnungen 21a versehen, denen jeweils ein Wehr 22 zugeordnet ist Das Gehäuse 18 hat außerdem eine Auslaßöffnung 29. Die beiden Endabschnitte an jeder Wärmeaustauscheinheit

20 und 20' sind durch Schweißen, Hartlöten, Druckschweißung oder dergleichen mit nicht gezeigten Slirnplatten verbunden, welche einen Teil des Gehäuses 18 bilden. An der Außenseite der Stirnplatten ist ein nicht gezeigtes Gehäuse für das warme Wasser angeordnet, das durch jede Wärmeaustauscheinheit 20, 20' und 25 strömt

Die unterteilte Kammer 13 wird von einer Metallplatte gebildet, die die Wärmeaustauscheinheit 25, die keine flüssigkeitsverteilenden Träger 7 aufweist, umschlossen und kann durch Behältersieden erzeugte Dampfblasen ansammeln. Die seitlichen Stin. Abschnitte der Metallplatte sind mit der Innenseite der Stimplatten verbunden, die einen Teil des Gehäuses 18 bilden, und zwar durch Schweißen, Hartlöten, Druckverschweißung oder dergleichen. Der untere Endabschnitt der unterteilten Kammer 13 bildet einen VerbindungskanaS 13Λ.

Die Wärmeaustauscheinheiten 20 und 20', die im einzelnen in F i g. 2 gezeigt sind, sind planare oder ebene bzw. flache Körper 1 mit rechteckigem Querschnitt, die im folgenden als Wärmeaustauschelemente bezeichnet werden. Jedes dieser Wärmeaustauschelemente hat eine Vielzahl von Kanälen 2 zum Durchstrom von warmem Wasser 4, die sich senkrecht zur Richtung des Stroms eines flüssigen Mediums 5 erstrecken. Jedes Wärmeaustauschelement, ist auf jeder seiner gegenüberliegenden Seitenflächen mit einer porösen bzw. Löcher aufweisenden Materialschicht 3 versehen, die eine Vielzahl von kleinen Hohlräumen unter einem Oberflächenabschnitt aufweist, der mit einer Vielzahl von kleinen Öffnungen 59 verseher; ist, die mit dem Hohlräumen in Verbindung stehen. Die porösen Materialcchichten 3 sind im einzelnen in F i g. 3 gezeigt. Jede der porösen Materialschichten 3 ist mit einer Vielzahl von Tunneln 58 versehen, welche die Hohlräume miteinander verbinden, wobei die kleinen öffnungen 59 mit den Tunneln 58 in Verbindung stehen.

Die Wärmeaustauscheinheit 20 wird dadurch hergestellt, daß eine Vielzahl von flüssigkeitsverteilenden Trägern 7, die mit einer Vielzahl von öffnungen 6 versehen sind, und die Wärmeaustauschelemente abwechselnd parallel zueinander angeordnet werden. Dabei wird eine Vielzahl von Wärmeaustauscheinheiten 20, jedoch wenigstens zwei, übereinander in Strömungsrichtung des flüssigen Mediums 5 entsprechend der Höhe des gewünschten Wärmeaustausches angeordnet, um die Wärmeübertragungscr-erflächen des Wärmetauschers zu bilden.

Das auf die flüssigkeitsverteilendenTräger 7 strömende flüssige Medium 5 wird in Rinnen 23 gesammelt, die von den Wärmeaustauschelementen und den flüssigkeitsverteilenden Trägern 7 gebildet werden, und strömt von da durch die öffnungen 6 in den flüssigkeitsverteilenden Trägern 7 nach unten, indem auf den Oberflächen der porösen Materialschichten 3 an den gegenüberliegenden Seitenflächen der Wärmeaustauschelemente Flüssigkeitsfilme 8 gebildet werden. Die Flüssigkeitsfilme 8 strömen nach unten, während sie durch die Wärme einer Verdampfung unterworfen sind, die von dem warmen Wasser 4 übertragen wird, welches durch die Kanäle 2 der Wärmeaustauschelemente strömt. Das flüssige Medium 5, welches auf den porösen Materialschichten 3 nicht verdampft ist, fließt nach unten in die Wärmeaustauscheinheit 20', die unter der Wärmeaustauscheinheit 20 angeordnet ist

Die im Oberflächenabschnitt einer jeden der porösen Materialschichten 3 ausgebildeten kleinen Öffnungen 59 haben einen Durchmesser d (F i g. 3) von weniger als 1 mm und unregelmäßige Formen. Wenn e^;n imaginärer Kreis, der den Innenrand einer jeden kleinen öffnung 59 berührt, einen Durchmesser d im Bereich zwischen 0,05 und 0,5 mm hat, wird der Wärmeübergang durch Verdampfung beschleunigt. Aus den Hohlräumen in den porösen Maierialschichten 3 wird durch einige Öffnungen 59 Dampf abgegeben, während durch andere Öffnungen 59 Flüssigkeit in die Hohlräume eintritt, um den Verlust an Dampf zu kompensieren. Wenn die Wandflächen der Hohlräume durch eine geringe Differenz der Temperatur erhitzt sind, verdampft die in die Hohlräume eintretende Flüssigkeit in kurzem Zeitraum und wird wieder in Form von Dampf abgegeben. Wenn der Flüssigkeitsfilm 8 eine große Dicke hat, durchkreuzt der austretende Dampf den Flüssigkeitsfilm 8 in Form von Dampfblasen und erreicht seine Oberfläche. Wenn der Fiüssigkeitsfüm 8 jedoch eine geringe Dicke hat verwandelt sich der austretende Dampf nicht mehr in Blasen und wird an der Oberfläche der porösen Materialschicht 3 direkt freigesetzt, ohne daß er irgend etwas mit dem Flüssigkeitsfilm 8 zu tun hat Durch diesen Mechanismus wird die Flüssigkeit leicht verdampft. Es werden auch dann Dampfblasen heftig erzeugt, wenn die Temperaturdifferenz zwischen den Wärmeübertragungswänden und dem flüssigen Medium unter 1°C liegt, so daß die porösen Matertalschichten 3 einen Wärmeübergang haben, der zehnmal so hoch ist wie der bei üblichen ebenen Wandflächen erreichbare. Die porösen Materialschichten 3 mit dem genannten Oberflächenaufbau können durch spanabhebende Bearbeitung oder durch haftende Verbindung von Metallteilchen an den Oberflächen der Wärmeaustauschelemente, beispielsweise durch Sintern, hergesf?llt werden.

W'e aus F i g. 1 zu ersehen ist, wird das in das Gehäuse 18 üer die Einlaßöffnung 28 eingeführte flüssige Medium 5 zunächst in dem Sumpf 21 für das flüssige Medium gesammelt und strömt dann nacheinander in die Wärmeaustauscheinheiten 20 und 20' über die öffnungen 21a nach Überströmen der jeweiligen Wehre 22. Das flüssige Medium 5, das durch den Wärmeaustausch an den porösen Materialschichten 3 eines jeden Wärmeaustauschelements einer jeden Wärmeaustauscheinheit verdampft, strömt als dampfförmiges Medium 10 durch die Dampfabfuhröffnungen 24, die zwischen benachbarten Wärmeaustauscheinheiten 20, 20' und 25 ausgebildet sind, und den Dampfkanal 26b zwischen den Führungswänden 19 und dem Gehäuse 18 und wird nach außen als Dampfstrom 10a über die Auslaßöffnung 29 freigegeben. Dabei strömt das warme Wasser 4 durch

die Kanäle 2 in den Wärmeaustauschelementen.

In der in der unterteilten Kammer 13 erhaltenen Wärmeaustauscheinheit 25 erfolgt der Wärmeübergang durch Blasensieden, wobei Dampfblasen 14 erzeugt werden, die zu größeren Blasen 16 zusammenwachsen. Die Blasen 16 wirken in Durchgängen 15 für das flüssige Medium so als Blasenpumpe. Somit wird das flüssige Medium 12 im unteren Abschnitt des Gehäuses 18 in eine Umlauf strömung zu dem Sumpf 21 für flüssiges Medium im oberen Abschnitt des Gehäuses 18 ge- ίο bracht. Das durch den Wärmeaustausch an den Oberflächen der porösen Materialschichten 3 der Wärmeaustauschelemente erzeugte dampfförmige Medium 10 strömt parallel zum Strom des Flüssigkeitsfilms 8 in der gleichen Richtung wie das flüssige Medium 5. Wenn es das untere Ende der Wärmeaustauscheinheit 20 erreicht, strömt das dampfförmige Medium 10 quer durch die Daffipiäbiühröfinüngcn 24 zwischen den Wärmeaustauscheinheiten in den Dampfkanal 26b.

Bei der gezeigten Ausführungsform kann die Strömungsnchtung des dampfförmigen Mediums 10, der an den porösen Materialschichten 3 an den Außenflächen der Wärmeaustauschelemente erzeugt wird, in Übereinstimmung mit der Richtung gebracht werden, in welche der Flüssigkeitsfilm 8 zwischen den Wärmeaustauschelementen fließt oder fällt, so daß die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Strom des Flüssigkeitsfilms und dem Dampfstrom verringert werden kann. Demzufolge kann vermieden werden, daß der Strom des dampfförmigen Mediums 10 den Flüssigkeitsfilm 8 stört, der an den porösen Materialschichten 3 an den Außenflächen der Wärmeaustauschelemente nach unten fließt, was zur Bildung eines stabil fließenden Flüssigkeitsfilms 8 an den porösen Materialschichten 3 beiträgt, wodurch ein höherer Verdampfungswärmeübergang des nach unten strömenden Flüssigkeitsfilms aufrechterhalten wird. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Wärmeaustauschelemente in die Wärmeaustauscheinheiten 20,20' und 25 unterteilt, die an Stellen im Abstand voneinander in der Richtung angeordnet sind, in welcher das flüssige wärmeaufnehmende Medium strömt und der erzeugte Dampf aus jeder der Wärmeaustauscheinheiten abgeführt wird. Dieser Aufbau ermöglicht eine Reduzierung der Geschwindigkeit des Dampfes, der zwischen den Wärmeaustauschelementen strömt, und zwar verglichen mit dem Fall, in welchem die Wärmeaustauschelemente nicht in Einheiten unterteilt sind. Dadurch kann auch der Strömungswiderstand des Dampfes reduziert werden, der zwischen den Wärmeaustauschelementen strömt Die erzeugte Dampfmenge nimmt zum stromab gelegenen oder unteren Ende der Wärmeaustauschelemente hin zu. Somit steigt auch die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes zu dem stromab gelegenen Ende hin. Wenn somit der Dampf nicht durch die Dampfabführöffnung 24 zwischen den Wärmeaustauscheinheiten 20 und 20' abgeführt wird, wird eine große Dampfmenge am unteren Ende der Wärmeaustauscheinheit 20 in die untere Wärmeaustauscheinheit 20* geführt In der Wärmeaustauscheinheit 20* nimmt die Dampfmenge zum unteren Ende hin zu, so daß die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfs entsprechend zum unteren Ende ansteigt Dieser Anstieg der Dampfstromgeschwindigkeit würde eine nachteilige Zunahme des Dampfstrornwiderstands herbeiführen. Die Wärmeaustauschelemente sind jedoch in eine Vielzahl von Warmeaustauscheinheiten 20, 20' und 25 unterteilt wobei Dampfabführöffnungen 24 zwischen benachbarten Wärmeaustauscheinheiten vorgesehen sind. Somit wird eine große Menge des Dampfes nicht von der Wärmeaustauscheinheit 20 zur Wärmeaustauscheinheit 20' und von der Einheit 20' zur Einheit 25 geführt. Dies trägt zur Reduzierung des Dampfstromwiderstands in der Wärmeaustauscheinheit oder den Einheiten bei, die auf einem niedrigeren Niveau als die Gruppe 20 angeordnet sind, was im folgenden noch erläutert wird.

Bei dem gezeigten Aufbau, bei welchem die Dampfabführöffnungen 24, die von Räumen zwischen den Wärmeaustauscheinheiten 20, 20' und 25 gebildet werden, den in den jeweiligen Wärmeaustauscheinheiten erzeugten Dampf abführen können, kann der Dampfstromwiderstand in dem Dampfkanal 26b verglichen mit dem Fall reduziert werden, in welchem die Wärmeaustauschelemente nicht in Wärmeaustauscheinheiten unterteilt sind. Bei der gezeigten Ausführungsform sind weiterhin flüssigkeitsverteilende Träger 7 an einem oberen Abschnitt einer jeden Wärmeaustauscheinheit 20, 20' so angeordnet, daß die flüssigkeitsverteilenden Träger 7 und die Wärmeaustauschelemente alternierend zueinander übereinander angeordnet sind. Da die flüssigkeitsverteilenden Träger 7 am oberen Teil der unteren Einheit 20' angeordnet sind, kann das wärmeaufnehmende Flüssigkeitsmedium 9, das in der oberen Einheit 20 nicht verdampft worden ist und davon aus nach unten tropft, wieder am oberen Teil der unteren Einheit 2P' verteilt werden, so daß ein gleichförmiger Flüssigkeitsfilmstrom in der unteren Wärmeaustauscheinheit 20' gebildet werden kann.

Fig.4 zeigt, wie der Wärmeübergang durch Verdampfung eines Flüssigkeitsfilms gesteigert wird. Der Wärmeübertragungsmechanismus für die Übertragung von Wärme von einer Wärmeübertragungsfläche 53 zu einem nach unten strömenden Flüssigkeitsfilm 54 erfolgt in den folgenden vier Formen: Bei der ersten Form erfolgt ein Wärmeübergang A aufgrund der Verdampfung von Flüssigkeit innerhalb der Tunnelwände. Die Zuführung einer solchen Flüssigkeit erfolgt durch die Pumpwirkung der wachsenden und dann abgehenden Dampfblasen an der Wärmeübertragungsfläche 53. Bei der zweiten Form erfolgt ein Wärmeübergang B als Zwangskonvektion von der Wärmeübertragungsfläche 53 an den strömenden Flüssigkeitsfilm 54. Die dritte Form umfaßt den Übergang von latenter Wärme C infolge der Verdampfung an der Oberfläche des Flüssigkeitsfilms 54. Bei der vierten Form erfolgt ein Übergang an fühlbarer Wärme D, wenn Flüssigkeitstropfen 56 erzeugt werden bei der Freigabe von Dampfblasen 55 aus der Trennfläche von Dampf und Flüssigkeit Die Wärmeübergänge A bis D treten nicht als einzelne Ersvöeinungen auf, sondern wirken miteinander zusammen, wodurch der Wärmeübertragungsprozeß beschleunigt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher mit Flüssigkeiisfilmverdanipfung mit einem Gehäuse, in welchem eine Vielzahl von vertikalen und innenseitig mit einem wärmeabgebenden Medium beaufschlagte Wärmeaustauschelemente angeordnet sind, die an ihrem oberen Teil mit wenigstens einem flflssigkeitsverteilenden Träger versehen sind, in welchem öffnungen für die Abgabe eines durch einen Einlaß im Gehäuse auf den Träger aufgebrachten, flüssigen, wärmeaufnehmenden Mediums als längs der Außenflächen der Wärmeaustauschelemente strömender und dabei verdampfender Flüssigkeitsfilm vorgesehen sind, und mit einem Dampfauslaß im oberen Gehäusebereich, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschelemente flache planare Körper{l) mit rechteckigem Querschnitt sind, die innenseitig horizontale Kanäle (2) aufweisen, außen an den gegenüberliegenden Seitenflächen mit einer porösen Materialschicht (3) versehen sind und durch eine Vielzahl von Trägern (7) zu einer Wärmeaustauscheinheit (20,20') verbunden sind, und daß in dem Gehäuse (18) wenigstens zwei solche Wärmeaustauscheinheiten (20,20') unter Bildung einer Dampfabführöffnung (24) vertikal im Abstand übereinander angeordnet sind, die mit dem Dampf auslaß (29) in Verbindung steht.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwischen jeder Wärmeaustauscheinheit (20, 20') und dem Gehäuse (lfc; angeordnete Führungswände (19).

3. Wärmetauscher nach Anspi ach 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine im Gehäuse (18) unten angeordnete, trägerfreie Wärmeaustauscheinheit (25), die in einer mit dem flüssigen, wärmeaufnehmenden Medium (5) gefüllten Kammer (13) angeordnet und über einen Flüssigkeitskanal (26a) mit einem über der obersten Wärmeaustauscheinheit (20) befindlichen Sumpf (21) für das flüssige Medium (5) verbunden ist.