DE4118196A1 - Verdampfungswaermetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdampfungswärmetauscher mit wenigstens einem aktiven Flüssigkeitskühlkreislauf zur Abführung von Wärme in Raumfahrzeugen, bei dem die Kühlflüssigkeit in thermischen Kontakt mit einem zu verdampfenden Medium gebracht wird und der aus einem vorzugsweise zylindrischen Behälter besteht, in dessen Inneres das zu verdampfende Medium eingespritzt wird und dessen Wandung zur Bildung eines Ringspaltes aus einer äußeren und einer inneren Schale besteht, wobei das Kühlmittel den Ringspalt durchströmt und wobei im Ringspalt Mittel zur Verbesserung der Wärmeübertragung vorgesehen sind.

Ein Verdampfungswärmetauscher dieser Art ist aus der Druckschrift "Shuttle Orbiter Flash Evaporator", J. R. Mason, Hamilton Standard, 79-ENAS-14, American Society of Mechanical Engineers (Hrsg.) bekannt geworden. In derartigen Verdampfungswärmetauschern wird eine zu mehreren aktiven Kühlkreisläufen gehörende Kühlflüs­ sigkeit in thermischen Kontakt mit einem zu verdampfen­ den Medium gebracht, das über eine in der Kopfplatte des zylindrischen Behälters befindliche Einspritzdüse in Form eines aus Flüssigkeitströpfchen bestehenden Strahls in den Innen- oder Prozeßraum des Wärme­ tauschers gesprüht wird, wobei die Tröpfchen in Kontakt mit den diesen Raum begrenzenden Wänden gelangen und dort unter Aufnahme von Wärme aus der Kühlflüssigkeit verdampfen. Der entstehende Dampf wird über eine Aus­ trittsöffnung in der Bodenplatte des Prozeßraumes in die Umgebung abgeblasen.

Beim Einsatz einer solchen Anordnung unter den Bedin­ gungen der Schwerelosigkeit bzw. bei unterschiedlichen Beschleunigungen während der Start- und Landephase be­ steht grundsätzlich das Problem, das zu verdampfende Medium und die zu kühlende Flüssigkeit des Kühlkreis­ laufs so miteinander in Kontakt zu bringen, daß eine ausreichend hohe Wärmeübertragung erfolgt. Da das zu verdampfende Medium überdies in der Regel auf Kosten zusätzlicher Nutzlast im Raumfahrzeug mitgeführt wird, soll dieses möglichst vollständig in die Dampfphase überführt werden. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen der Kühlflüssigkeit einerseits und dem zu ver­ dampfenden Medium andererseits sind bei der Anordnung gemäß dem Oberbegriff daher im Inneren des Ringspaltes, der von zwei koaxial angeordneten Zylinderwänden ge­ bildet wird, in axialer Richtung und damit in Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit verlaufende Längsrippen vorgesehen, die aus zylindrisch gebogenen Blechen mit einem Wellenprofil bestehen und die in der Regel durch Hartlöten mit den Zylinderwänden verbunden sind.

Daneben ist es aus der DE-OS 30 11 282 im Zusammenhang mit einem Wärmeabsorber, der insbesondere als Plasma­ strahlenabsorber dient und der ebenfalls einen zwei­ schaligen Aufbau mit von einem Kühlmedium durchströmten Kühlkanälen aufweist, bekannt, zwischen der inneren und der äußeren Schale sogenannte Befestigungskörper vorzusehen. Diese Befestigungskörper, die bei der bekannten Anordnung dem Angalvanisieren der Außenwand mit Abstand an die Innenwand dienen, können strom­ linienförmig ausgebildet sein, wobei die Längser­ streckung ihres Profils parallel zur Strömungsrichtung des Kühlmediums verläuft. Die Befestigungskörper sind ferner zu Reihen zusammengefaßt, die in Umfangsrichtung verlaufen und bei denen die zu aufeinanderfolgenden Reihen gehörenden Befestigungskörper jeweils zueinander versetzt angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anord­ nung gemäß dem Gattungsbegriff so auszubilden, daß der Wärmeübergang zwischen der Kühlflüssigkeit und dem zu verdampfenden Medium nachhaltig verbessert wird und daß zugleich der Austrag an nicht verdampften Medium weiter verringert wird.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Durch die im Inneren des Ringspaltes erfindungsgemäß senkrecht zur Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit und in gegeneinander versetzten Reihen angeordneten Wirbel­ körper wird eine nachhaltige Verwirbelung der Kühlflüssigkeit und damit eine bessere Vermischung der wandnahen kalten Teilchen mit den von der Wand weiter entfernten heißen Teilen der Kühlflüssigkeit im Wärme­ tauscher und ein innigerer Kontakt mit den Wandflächen erreicht, so daß ein intensiver Abkühlungseffekt erzielt wird. Die in vorteilhafter Weiterbildung des Wärmetauschers nach der Erfindung ferner vorgesehene Maßnahme, die Wirbelkörper einstückig an die Innenwand der zweischaligen Anordnung anzuformen, verbessert dabei nicht nur den Wärmeübergang zwischen der Kühl­ flüssigkeit und dieser Wand noch weiter, sondern es wird zugleich auch die Wärmekapazität der gesamten Struktur erhöht. Letzteres bewirkt einen insgesamt gleichmäßigen zeitlichen Temperaturverlauf im Kühl­ flüssigkeitskreislauf, was insbesondere deshalb wichtig ist, weil der Abkühlungsprozeß so ausgelegt ist, daß er in der Nähe der Erstarrungstemperatur der Kühlflüssig­ keit abläuft. Ein durch negative Temperaturspitzen hervorgerufenes kurzzeitiges Unterschreiten dieser Temperatur könnte aufgrund des dann erfolgenden Phasen­ übergangs flüssig-fest leicht zu einem zunächst nur lokalen, aber in der Folgereaktion auch totalen Blockieren des Kühlflüssigkeitskanals führen.

Ferner bietet diese Maßnahme auch in fertigungstech­ nischer Hinsicht erhebliche Vorteile, da der erwähnte Lötprozeß entfallen kann, wodurch der Fertigungsaufwand für eine solche Anordnung wesentlich reduziert wird. Zugleich werden damit auch Probleme vermieden, die sich aus der Tatsache ergeben, daß die zum Hartlöten erfor­ derlichen Temperaturen in der Nähe der Schmelztempera­ tur der für derartige Bauteile in der Regel verwendeten hochfesten Aluminiumlegierungen liegen, woraus erheb­ liche Anforderungen an die Genauigkeit der einzuhalten­ den Löttemperaturen und Probleme mit der Maßhaltigkeit des Bauteils resultieren.

Eine wesentliche Verringerung des Austrages an unver­ dampftem Medium aus dem Prozeßraum wird dadurch er­ reicht, daß bei dem Wärmetauscher nach der Erfindung der Auslaß für den abströmenden Dampf im Wandbereich des Prozeßraums angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird der abströmende Dampf um wenigstens etwa 90° gegenüber seiner ursprünglichen Strömungsrichtung bzw. der Einspritzrichtung des zu verdampfenden Mediums umgelenkt. Sofern, entsprechend einer weiteren Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, die Auslaßöffnung für das verdampfte Medium in demjenigen Endbereich des Prozeßraumes angeordnet ist, in dem auch die Einspritzung erfolgt, wird sogar eine nahezu voll­ ständige Umkehr der Bewegungsrichtung herbeigeführt.

Ferner kann aufgrund dieser Maßnahme sowie durch die bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verdampfungs­ wärmetauschers nach der Erfindung vorgesehene Durch­ strömung auch der den zylindrischen Prozeßraum ver­ schließenden Bodenplatte mit der Kühlflüssigkeit eine zusätzliche beheizte Prallplatte entfallen, wie sie bei der Anordnung nach dem Oberbegriff verwendet werden muß, um im Dampf mitgeschleppte bzw. direkt in den Auslaß gesprühte Tröpfchen zurückzuhalten.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Er­ findung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Verdampfungs­ wärmetauscher,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die in Fig. 1 gezeigte Anordnung in abgewickelter Darstellung,

Fig. 3 die Anordnung gemäß Fig. 2 in perspektivischer Darstellung und

Fig. 4 einen Schnitt gemäß IV-IV durch die Anordnung nach Fig. 1.

Der in Fig. 1 geschnitten dargestellte zylinderförmige Verdampfungswärmetauscher ist zweischalig aufgebaut und besteht aus einem inneren Zylinder 1 sowie einem koaxial zu diesem angeordneten äußeren Zylinder 2. Die Durchmesser der Zylinder 1 und 2 sind so gewählt, daß zwischen beiden ein Ringspalt 3 besteht. Im Ringspalt 3 sind Wirbelkörper 4 angeordnet, die jeweils einstückig an die Außenwand des inneren Zylinders 1 angeformt sind und auf deren Form im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 noch näher eingegangen wird. Der zylindrische Innen- oder Prozeßraum 5 des Wärmetauschers wird durch eine Kopfplatte 6 sowie eine Bodenplatte 7 abgeschlos­ sen. Die Bodenplatte 7 ist ebenfalls zweischalig auf­ gebaut bzw. mit Strömungskanälen versehen.

In dem der Bodenplatte benachbarten, einen vergrößerten Durchmesser aufweisenden Bereich des zylindrischen Wärmetauschers ist eine Auslaßöffnung 8 vorgesehen, die den Prozeßraum 5 mit einem Auslaßflansch 9 verbindet.

An der Kopfplatte 6 ist eine Einspritzdüse 11 für das zu verdampfende Medium, im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung Wasser, angeordnet, die in den Prozeßraum 5 ragt und die über eines von zwei aus Redundanzgründen vorhandenen Steuerventilen 12 und 13 beaufschlagt wird. Der Austrittswinkel der im Pulstrieb arbeitenden Einspritzdüse 11 ist mit etwa ± 85 Grad gegenüber der Mittelachse des Prozeßraumes 5 so gewählt, daß die vom inneren Zylinder 1 gebildete zylindrische Wärmeübertragerfläche direkt benutzt wird. Bei der hier dargestellten Anordnung ist am Rand der Bodenplatte 7 eine Einlaßöffnung 14 für die in einem aktiven Kühlkreislauf zirkulierende Kühlflüssigkeit, im vorliegenden Fall ebenfalls Wasser, vorgesehen. Über eine im Zentrum der Bodenplatte 7 angeordnete Auslaß­ öffnung 15 sowie eine Verbindungsleitung 16 gelangt die Kühlflüssigkeit zu einer Einlaßöffnung 17 in der Kopf­ platte 6 und schließlich durch den Ringspalt 3 zu einer Auslaßöffnung 18, die sich an der Außenfläche des äuße­ ren Zylinders 2 befindet. In dieser Auslaßöffnung 18 ist zusätzlich ein in der Zeichnung nicht dargestellter Meßfühler zur Erfassung der Austrittstemperatur der Kühlflüssigkeit angeordnet.

Wie die Darstellung der Fig. 2 und 3 zeigt, weisen die im Ringspalt 3 angeordneten Wirbelkörper 4 eine längliche Grundform mit einer sechseckigen Kontur auf. Die Wirbelkörper 4 sind, in diesem Fall durch Fräsen, so aus dem inneren Zylinder 1 herausgearbeitet, daß ihre langen Seiten senkrecht zu der in Fig. 2 durch einen mit dem Buchstaben K gekennzeichneten Pfeil an­ gedeuteten Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit ver­ laufen; ihre Schmalseiten bilden dann, wie in der Figur weiterhin angedeutet, einen Winkel von etwa 60 Grad mit der Strömungsrichtung. Die Wirbelkörper 4 umgeben den Zylinder 1 gleichsam in Form von als unterbrochene Ringe gestalteten Querrippen, wobei die zu aufeinan­ derfolgenden Ringen gehörenden Wirbelkörper, wie in den Fig. 2-4 gezeigt, zueinander fluchtend versetzt an­ geordnet sind. Die Querschnitts-Darstellung in Fig. 4 läßt ferner erkennen, daß die Innenwand des inneren Zylinders 1 eine kappillarförmige Struktur aufweist.

Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Anord­ nung ist in Fig. 1 anhand von Pfeilen verdeutlicht, die die Strömung der einzelnen Medien, d. h. der Kühlflüs­ sigkeit und des zu verdampfenden Mediums, kennzeichnen sollen.

Die Kühlflüssigkeit, die Bestandteil eines aktiven Kühlkreislaufs ist, durchströmt den Verdampfungswärme­ tauscher bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung von links nach rechts, nachdem sie zunächst durch die Bodenplatte 7 und die Verbindungsleitung 16 geströmt ist. Über die Einlaßöffnung 7 gelangt sie in die Kopf­ platte 6, von dort in den Ringspalt 3, wo sie an den Wirbelkörpern 4 vorbei zur Auslaßöffnung 18 strömt. Beim Austritt aus dieser Auslaßöffnung 18 wird ihre Temperatur registriert und es wird, sobald diese einen vorgegebenen Wert übersteigt, die Einspritzeinrichtung für das zu verdampfende Medium aktiviert. Letzteres gelangt dabei aus einem in der Figur nicht dargestell­ ten Vorratsbehälter über die Steuerventile 12 und 13, die intermittierend, d. h. im Pulsbetrieb, beaufschlagt werden, zur Einspritzdüse 11, von wo es in Form fein­ verteilter Flüssigkeitströpfchen auf die innere Ober­ fläche des Zylinders 1 auftrifft. Seine Strömungsrich­ tung ist in der Figur dabei durch gestrichelt gezeich­ nete Linien angedeutet.

Aufgrund der Abgabe der von der Kühlflüssigkeit einge­ brachten Wärme über die Wirbelkörper 4 und den inneren Zylinder 1 an dessen wärmeübertragende Innenfläche wegen des geringen Drucks im Prozeßraum 5, der während der nicht operationellen Zeiten unterhalb von 1 Milli­ bar liegt, geht der auf der Kapillarstruktur befind­ liche Flüssigkeitsfilm bereits bei relativ niedrigen Temperaturen unverzüglich in die Dampfphase über. Dieser Dampf, dessen Strömungsrichtung in der Figur durch offene Pfeile gekennzeichnet ist, erhöht den Druck auf etwa 5 bis 10 mbar und strömt anschließend zur Auslaßöffnung 8, von wo er über den Auslaßflansch 9 und ein in der Figur nicht dargestelltes Schallventil eines Auspuffs in die Umgebung des Raumfahrzeuges ab­ geführt wird. Die Tatsache, daß die Bodenplatte 7 ebenfalls als Wärmeübertrager ausgebildet ist, bewirkt dabei, daß etwaig vom Dampf mitgerissene, noch unver­ dampfte Flüssigkeitströpfchen, die auf die Innenfläche der Bodenplatte 7 auftreffen, nachträglich verdampft werden, so daß praktisch die gesamte eingebrachte Flüssigkeitsmenge in Dampf übergeführt wird und voll­ ständig der Wärmeabfuhr dient.

Die Pausenzeiten zwischen den einzelnen Pulsen, mit denen das zu verdampfende Medium in den Prozeßraum 5 gelangt, sind so gewählt, daß die Innenfläche des Zylinders 1 sowie der Bodenplatte 7 jeweils wieder vollständig abtrocknen, bevor sie erneut benetzt werden. Die kapillarförmig aufgerauhte Struktur der inneren Oberfläche des Zylinders 1 bewirkt dabei zugleich eine gleichmäßige radiale Verteilung der zu verdampfenden Flüssigkeit. Die Wirbelkörper 4 dienen bei diesem Verdampfungsvorgang nicht nur zur Beein­ flussung der Strömung der Kühlflüssigkeit und damit zu einer intensiveren Wärmeabgabe, sie wirken zugleich auch als Rippen, die der Übertragung der Wärme aus der Kühlflüssigkeit auf den Zylinder 1 und damit an die die Verdampfung herbeiführenden Oberflächen dienen.

Claims (9)

1. Verdampfungswärmetauscher mit wenigstens einem aktiven Flüssigkeitskühlkreislauf zur Abführung von Wärme in Raumfahrzeugen, bei dem die Kühlflüssig­ keit in thermischen Kontakt mit einem zu ver­ dampfenden Medium gebracht wird und der aus einem vorzugsweise zylindrischen Behälter besteht, in dessen Inneres das zu verdampfende Medium einge­ spritzt wird und dessen Wandung zur Bildung eines Ringspaltes aus einer äußeren und einer inneren Schale besteht, wobei das Kühlmittel den Ringspalt durchströmt und wobei im Ringspalt Mittel zur Ver­ besserung der Wärmeübertragung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Ringspalt (3) mehrere in Umfangsrichtung verlaufende Reihen länglich ausgebildeter Wirbelkörper (4) vorgesehen sind, deren Längsseiten in etwa senkrecht zur Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit verlaufen und wobei die zu aufeinanderfolgenden Reihen gehörenden Wirbelkörper (4) versetzt zueinander angeordnet sind, und daß sich die Auslaßöffnung (8) für das verdampfte Medium im zylindrischen Wandbereich des im Inneren des Behälters gebildeten Prozeßraumes (5) befindet.

2. Verdampfungswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß für das verdampfte Medium in dem der Einspritzung gegenüberliegenden Endbereich des Prozeßraumes (5) angeordnet ist.

3. Verdampfungswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung für das ver­ dampfte Medium in demjenigen Endbereich des Prozeß­ raumes (5) angeordnet ist, in dem sich auch die Eintrittsöffnung (11) für das zu verdampfende Medium befindet.

4. Verdampfungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel­ körper (4) aus in Form unterbrochener Ringe gestal­ teten Querrippen bestehen.

5. Verdampfungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel­ körper (4) die Form länglicher Sechsecke aufweisen.

6. Verdampfungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel­ körper (4) rhombenförmig ausgebildet sind.

7. Verdampfungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel­ körper (4) durch Drehen, Fräsen oder Sägen aus der inneren Schale (1) herausgearbeitet sind.

8. Verdampfungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Ein- bzw. Aus­ laßöffnungen (14, 15, 17) für die Kühlflüssigkeit je­ weils in einer den Prozeßraum (5) endseitig ab­ schließenden Kopf- bzw. Bodenplatte (6, 7) ange­ ordnet sind.

9. Verdampfungswärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (7) ebenfalls als Wärmeübertrager ausgebildet ist.