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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Verbesserung der Leistung eines kryogenischen
Wärmetauschers
unter Frostbedingungen.
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Die GB 2 241 536 A offenbart eine
Luftaufnahme, welche für
einen Raumfahrtantrieb geeignet ist, welche einen Kanal aufweist,
der in Strömungsrichtung
einen flüssigen
Sauerstoffinjektor bzw. -einspritzer und zwei Wärmetauscher aufweist. Bei niedriger
Höhe verursacht
der flüssige
Sauerstoff, welcher in den Luftstrom durch den Kanal über den
Injektor gerichtet wird, durch Reduzieren der Lufttemperatur auf –50°C oder niedriger
Wasser darin in kleine Trockeneiskristalle umzuwandeln, welche durch die
Wärmetauscher
ohne Neigung zum Schmelzen durchlaufen. Eine Eisabscheidung auf
den Wärmetauschern
wird dadurch verhindert. Bei hoher Höhe und hoher Geschwindigkeit
wird die Flüssigsauerstoffinjektion
angepasst, um die Lufttemperatur auf einen Pegel zu reduzieren,
bei welchem ein Hitzeschaden durch die Wärmetauscher im wesentlichen
verhindert wird.
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Um einen Flüssigluftkreismotor oder einen vorgekühlten Turbojetmotor
zu realisieren, ist die Entwicklung eines Hochleistungsvorkühlers eine Schlüsseltechnologie.
Die vorrangigste Besorgnis bei der Entwicklung solch eines Vorkühlers ist
die Frostbildung auf der Wärmeaustauschoberfläche des Wärmetauschers.
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Wenn Frost auf einer Wärmeaustauschoberfläche gebildet
ist, nimmt die Effizienz des Wärmeaustausches
auf Grund des thermischen Widerstandes der Frostschicht ab. Außerdem verengt
sich der Strömungspfad
der Hauptluftströmung
und der Druckverlust der Strömung
steigt. Die Frostschicht, welche sich auf der Wärmeaustauschoberfläche in einem
kryogenischen Zustand bildet, weist eine niedrige Dichte und eine
niedrige thermische Leitfähigkeit auf,
und deshalb wird die Leistung des Wärmetauschers stark beeinflusst.
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Im Falle eines Vorkühlers eines
Luft atmenden Motors, welcher für
ein Raumfahrzeug eingesetzt wird, schafft die Frostbildung eine
Schwierigkeit, insbesondere wenn es bei niedriger Höhe fliegt, welches
in der Beschleunigungsphase ist. Während dieser Periode (etwa
mehrere zehn bis mehrere hundert Sekunden) kann der Betrieb des
Motors nicht gestoppt werden. Deshalb kann ein Entfrostungskreis, welcher
in den Wärmetauscher
einsetzbar ist, welcher für
die Kühlung
oder Klimaanlage eingesetzt wird, nicht verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung wurde in
Anbetracht des oben beschriebenen Problems vorgeschlagen, und die
Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Verhindern der Herabsetzung
der Effizienz des Wärmeaustausches
auf Grund von Frostbildung auf einer Wärmeaustauschoberfläche in einem
kryogenischen Wärmetauscher
unter Frostbedingungen über
einem Vorkühler
eines Luft atmenden Motors bereitzustellen.
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Gemäß dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, wird in einem zu kühlenden
Gasstrom, welcher ein Frostbildungsmaterial aufweist, ein kondensierbares
Gas an der Stromaufwärtsseite
des Wärmetauschers
gemischt, welches einen Schmelzpunkt niedriger als den des Frostbildungsmaterials
aufweist, und somit wird das kondensierbare Gas zusammen mit dem
Frostbildungsmaterial auf der Wärmeaustauschoberfläche kondensiert
oder sublimiert.
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Die Frostschicht, welche somit gebildet
wird, weist eine kondensierte flüssige
Form und eine sublimierte feste Form des kondensierbaren Gases auf. Im
Vergleich zu der gebildeten Frostschicht, wenn das Frostbildungsmaterial
alleine kondensiert, weist dieses Frostmaterial weniger Ausnehmungen
bzw. Kavitäten
auf und hat eine höhere
Dichte. Deshalb, da die Ausnehmungen abnehmen, wird der thermische
Widerstand der Frostschicht reduziert. Außerdem verringert sich die
Dicke der Frostschicht entsprechend der Reduktion der Ausnehmungen,
und der Strömungswiderstand
des zu kühlenden
Gases nimmt ab. Dementsprechend wird es möglich, die Herabsetzung der
Leistung von Wärmetauschern
zu verhindern, welche durch die Frostbildung verursacht wird.
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Es sollte beachtet werden, dass,
um das kondensierbare Gas in etwa derselben Menge wie die des Frostbildungsmaterials
zu kondensieren oder sublimieren, es erforderlich ist, dass die
Differenz in der Konzentration von gesättigtem Dampf des kondensierbaren
Gases zwischen der Temperatur des Hauptstromes und der der Wärmeaustauschoberfläche größer als
die Menge des Frostbildungsmaterials beinhaltet in der Hauptströmung sein
sollte. Hier ist eine Steigerung in der erforderlichen Menge des
kondensierbaren Gases, welches folglich gemischt wird, nicht von
praktischem Vorteil, die Konzentration des gesättigten Dampfes selbst sollte
vorzugsweise klein sein. In dem Fall, in welchem der kryogenische
Wärmetauscher
ein Vorkühler
eines Luft atmenden Motors ist, ist das zu kühlende Gas Luft, und das Frostbildungsmaterial
ist Wasserdampf. In diesem Fall sind Beispiele des kondensierbaren
Gases, welche die obigen Bedingungen erfüllen, Kohlenwasserstoffe eines
Molekulargewichts zwischen 90 und 120 (Tuluole, n-Heptane, Äthylbenzole,
n-Oktane, Iso-oktane), niederwertige Al-kohole, welche 3 oder weniger Kohlenstoffatome
aufweisen (Methanol, Ethanol, Propanol) und Äthylazetat.
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Diese Zusammenfassung der Erfindung
beschreibt nicht notwendigerweise alle erforderlichen Merkmale,
so dass die Erfindung auch eine Unterkombination dieser beschriebenen
Merkmale sein kann.
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Die Erfindung kann vollständiger aus
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung verstanden werden,
wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen
wird, in welchen:
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1 ein
schematisches Diagramm des Verfahrens zur Verbesserung der Leistung
eines kryogenischen Wärmetauschers
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, wenn sie an einen Vorkühler eines Luft atmenden Motors
angelegt wird;
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2 ein
Graph ist, welcher die Veränderung
des Druckverlustkoeffizienten des Hauptluftstromes über der
Zeit in einem Einzelreihenwärmetauschermodell
zeigt, wenn die Temperatur der Wärmeaustauschoberfläche 90K
beträgt;
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3 ein
Graph ist, welcher die Veränderung
des Wärmestromes über der
Zeit in einem Einzelreihenwärmetauschermodell
zeigt, wenn die Temperatur der Wärmeaustauschoberfläche 90K
beträgt;
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4 ein
Graph ist, welcher die Veränderung
des Druckverlustkoeffizienten des Hauptluftstromes über der
Zeit in einem Einzelreihenwärmetauschermodell
zeigt, wenn die Temperatur der Wärmeaustauschoberfläche 200K
beträgt;
und
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5 ein
Graph ist, welcher die Veränderung
des Wärmeflusses über der
Zeit in einem Einzelreihenwärmetauschermodell
zeigt, wenn die Temperatur der Wärmeaustauschoberfläche 200K
beträgt.
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1 ist
ein schematisches Diagramm, welches das Verfahren zur Verbesserung
der Leistung eines kryogenischen Wärmetauschers gemäß der vorliegenden
Erfindung verdeutlicht, wenn sie an einen Vorkühler eines Luft atmenden Motors
angelegt wird. Die Figur weist einen Vorkühler 1, ein Wärmetauscherrohr 2 (Wärmeaustauschoberfläche), einen Einlasskanal 3,
eine Düse 4,
einen Hauptluftstrom 11 (zu kühlendes Gas), flüssigen Wasserstoff 12 (Kühlmittel)
und Ethanol 13 (kondensierbares Gas) auf.
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In dem Vorkühler zum Bereitstellen eines vorgekühlten Hauptluftstromes
an dem Luft atmenden Motor (nicht dargestellt) ist ein Wärmetauscherrohr 2 vorgesehen.
In dem Wärmetauscherrohr 2 ist flüssiger Wasserstoff 12,
welcher als Kühlmittel
dient, bereitgestellt. Der Hauptluftstrom 11 wird über den Einlasskanal 3 zu
dem Vorkühler 1 geschickt, und
der Hauptluftstrom, welcher dort heruntergekühlt wird, wird zu einem Kompressor
des Luft atmenden Motors geschickt.
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In der Mitte des Einlasskanals 3 ist
eine Düse 4 vorgesehen,
durch welche Ethanol 13 in den Hauptluftstrom 11 gemischt
wird. Das beigemischte Ethanol 13 wird von dem Strom des
Hauptluftstroms 11 in den Vorkühler 1 getragen und
kondensiert (oder sublimiert) zusammen mit Wasserdampf auf der Oberfläche des
Wärmetauscherrohrs 2 (oder
in der Frostschicht, welche bereits auf der Wärmeaustauschoberfläche abgeschieden
ist). Die somit gebildete Frostschicht weist weniger Ausnehmungen
bzw. Kavitäten
auf und hat eine höhere
Dichte im Vergleich zu der Frostschicht, welche sich bildet, wenn der
Wasserdampf allein kondensiert. Deshalb, da die Ausnehmungen abnehmen,
wird der thermische Widerstand der Frostschicht reduziert. Außerdem,
da die Dicke der Frostschicht entsprechend der Reduktion der Ausnehmungen
abnimmt, nimmt der Strömungswiderstand
ab. Dementsprechend wird es möglich,
die Herabsetzung der Leistung des Wärmetauschers zu verhindern,
welche durch die Frostbildung verursacht sein könnte.
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Es sollte beachtet werden, dass die
Menge des beigemischten Ethanols so eingestellt wird, dass die Konzentration
von Ethanol in dem Hauptluftstrom 11 gleich oder höher als
der Sättigungspunkt
bei der Temperatur der Wärmeaustauschoberfläche des Wärmetauscherrohrs 2 wird.
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Die 2 bis 5 verdeutlichen die Veränderungen
des Druckverlustkoeffizienten des Wärmeflusses über der Zeit in dem Fall, in
welchem das Verfahren der vorliegenden Erfindung an ein Einzelreihenwärmetauschermodell
in verschiedenen Fällen angelegt
wird (mit einem Außendurchmesser
des Wärmetauscherrohrs
von 8 mm und einem Abstand bzw. Pitch von 12 mm). In diesen Versuchen
wurde die Strömungsrate
des Hauptluftstroms auf 3 m/s eingestellt, die Temperatur des Hauptluftstroms
wurde auf 293°C
eingestellt, und die Konzentration des Wasserdampfes im Hauptluftstrom
wurde auf 0,004 kg/kg eingestellt. Außerdem betrug die Menge des
in den Hauptluftstrom gemischten Ethanols 4g pro 1 kg Luft. In diesen
Figuren wurden die Ergebnisse für
den Fall, in welchem kein Ethanol beigemischt wurde, zum Vergleich
ebenfalls angegeben.
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2 ist
ein Graph, welcher den Druckverlustkoeffizienten des Hauptluftstromsüber der
Zeit darstellt, wenn flüssiger
Stickstoff als Kühlmittel
eingesetzt wird und die Temperatur der Wärmeaustauschoberfläche 90K
beträgt.
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3 verdeutlicht
die Veränderung
des Wärmeflusses über der
Zeit in dem mit Bezug auf 2 gezeigten
Fall. Wie von den Figuren ersichtlich, werden mit beigemischtem
Ethanol in dem Hauptluftstrom ein Anstieg im Druckverlust der Hauptluftstromes
und ein Abfall im Wärmefluss,
welches durch die Frostbildung verursacht ist, deutlich im Vergleich
zum herkömmlichen
Fall unterdrückt,
in welchem kein Ethanol beigemischt wurde.
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4 verdeutlicht
die Veränderung
des Druckverlustkoeffizienten des Hauptluftstromes über der
Zeit, wenn Niedertemperaturstickstoffgas als Kühlmittel eingesetzt wird und
die Temperatur der Wärmeaustauschoberfläche 200K
beträgt. 5 verdeutlicht den Verlauf
des Wärmeflusses über der Zeit
in dem Bezug auf 4 dargestellten
Fall. Entsprechend dem oben beschriebenen Fall wird mit beigemischtem
Ethanol in dem Hauptluftstrom ein Anstieg im Druckverlust des Hauptluftstroms
und ein Abfall im Wärmefluss,
welches durch die Frostbildung verursacht wird, deutlich im Vergleich
zum herkömmlichen
Fall unterdrückt.
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Wie oben beschrieben, wurde beschrieben, dass
mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die Leistung des kryogenischen
Wärmetauschers
bemerkenswert verbessert wird, sowohl in dem Fall, in welchem die
Temperatur der Wärmeaustauschoberfläche (90K; 2, 3) niedriger als der Schmelzpunkt von Äthanol (159K)
ist, und in dem Fall, in welchem die Temperatur der Wärmeaustauschoberfläche (200K; 4, 5) höher
ist.
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Gemäß dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung, da die Dichte der Frostschicht, welche sich auf der Wärmeaustauschoberfläche bildet,
ansteigt, wird die Effizienz des kryogenischen Wärmetauschers gesteigert und
der Druckverlust des Hauptstromes des zu kühlenden Gases wird herabgesetzt. Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung kann durch Beimischen einer
sehr kleinen Menge eines kondensierbaren Gases in den zu kühlenden
Gasstrom ausgeführt
werden, und deshalb kann es mit einer verhältnismäßig einfachen Struktur realisiert werden.