NO130371B

NO130371B -

Info

Publication number: NO130371B
Application number: NO02520/71*[A
Authority: NO
Inventors: R Meijer
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1970-07-04
Filing date: 1971-07-01
Publication date: 1974-08-19
Also published as: DE2128566A1; SE387169B; BE769475A; GB1355422A; DK127697B; CA937561A; JPS471942A; JPS527188B1; NL7009932A; AT307464B; FR2097188B1; FR2097188A1; CH534340A; US3749159A; NL153326B

Description

Varmetransportanordning. Heat transport device.

Oppfinnelsen angår en varmetransportanordning med en lukket beholder med på den ene side minst en første og på den andre side minst en andre varmegjennomgangsvegg, hvilken beholder inneholder et varmetransportmedium som opptar varme gjennom den første varmegjennomgangsvegg ved overgang fra væske- til dampfase, og avgir varme til den andre varmegjennomgangsvegg ved overgang fra damp- The invention relates to a heat transport device with a closed container with on one side at least a first and on the other side at least a second heat passage wall, which container contains a heat transport medium that absorbs heat through the first heat passage wall when transitioning from liquid to vapor phase, and emits heat to the second heat passage wall when transitioning from steam

til væskefase, samt en porøs masse som forbinder den andre varmegjennomgangsvegg med den første på sådan måte at gjennom denne masse kan medium som er kondensert på den andre varmegjennomgangsvegg ved kapillarvirkning strømme tilbake til den første varmegjennomgangsvegg. to liquid phase, as well as a porous mass which connects the second heat passage wall with the first in such a way that through this mass, medium which is condensed on the second heat passage wall by capillary action can flow back to the first heat passage wall.

Anordninger av denne art er kjent fra U.S.A. patentskrifter Devices of this kind are known from the U.S.A. patent documents

nr. 3.229.759 og 3-402.767. Med slike anordninger kan store varme-mengder transporteres praktisk-talt uten temperaturfall og uten at det må anvendes en pumpeinnretning eller ytterligere bevegelige deler. Flytende varmetransportmedium som fordamper på den første varmegjennomgangsvegg beveger seg i dampfasen til den andre varmegjennom-gangs-vegg som følge av det der herskende lave damptrykk som følge av en noe lavere lokal temperatur. På den andre varmegjennomgangsvegg kondenserer dampen under avgivelse av fordampningsvarmen til denne vegg og kondensatet fører tilbake til den første varmegjennomgangsvegg gjennom den porøse masse ved kapillarvirkningen under utnyttelse av overflatespenningen i kondensatet, og på den første varmegjennomgangsvegg fordamper mediet på nytt. Nos. 3,229,759 and 3-402,767. With such devices, large amounts of heat can be transported practically without a drop in temperature and without having to use a pump device or additional moving parts. Liquid heat transfer medium that evaporates on the first heat passage wall moves in the vapor phase to the second heat passage wall as a result of the low vapor pressure prevailing there as a result of a somewhat lower local temperature. On the second heat passage wall, the steam condenses while giving off the vaporization heat to this wall and the condensate leads back to the first heat passage wall through the porous mass by the capillary action using the surface tension in the condensate, and on the first heat passage wall the medium evaporates again.

Den porøse masse sørger for at kondensatet under alle for-hold kan strømme tilbake fra den andre, til den første varmegjennomgangsvegg, altså sågar mot tyngdekraften eller uten tyngdekraftvirkning. Med uttrykket porøs masse er i det følgende ment ikke bare keramiske materialer eller gas av tråd eller båndformet materiale, men også anordni-ng av små rør og systemer av spor i beholderens vegger, eventuelt i kombinasjon med en av de først nevnte muligheter. Den porøse masse som forbinder den første og andre varmegjennomgangsvegg kan dekke hele veggoverflaten fullstendig eller bare delvis. The porous mass ensures that the condensate can under all conditions flow back from the second to the first heat passage wall, i.e. even against the force of gravity or without the effect of gravity. In the following, the term porous mass is meant not only ceramic materials or gas of wire or band-shaped material, but also the arrangement of small pipes and systems of grooves in the walls of the container, possibly in combination with one of the first mentioned options. The porous mass connecting the first and second heat passage walls can cover the entire wall surface completely or only partially.

For at fordampningen og kondenseringen av varmetransportmediet lett skal kunne skje i beholderen, er denne vanligvis evakuert. Et problem er da at i enkelte tilfeller vil i avhengighet av det valgte varmetransportmedium ikke bare ved værelsestemperatur, men også ved høye driftstemperaturer, damptrykket i varmetransportmediet i beholderen ligge under trykket som omgir beholderen. Anvendes f.eks. natrium som varmetransportmedium i en evakuert beholder, er damptrykket ved 800°K 8 Torr (1 Torr = 1 mm kvikksølvsøyle) og ved 1100°K 450 Torr. Dette betyr at særlig ved beholdere med store dimensjoner og med store veggflater, kan disse vegger utsettes for en betydelig mekanisk belastning som følge av atmosfæretrykket, en belastning som blir. enda større når varmetransportanordningen danner en, del av en større konstruksjon hvilket ofte er tilfelle, In order for the evaporation and condensation of the heat transport medium to take place easily in the container, this is usually evacuated. A problem then is that in some cases, depending on the chosen heat transport medium, not only at room temperature, but also at high operating temperatures, the vapor pressure in the heat transport medium in the container will be below the pressure surrounding the container. Used e.g. sodium as heat transport medium in an evacuated container, the vapor pressure at 800°K is 8 Torr (1 Torr = 1 mm mercury column) and at 1100°K 450 Torr. This means that particularly in the case of containers with large dimensions and with large wall surfaces, these walls can be exposed to a significant mechanical load as a result of the atmospheric pressure, a load which becomes. even greater when the heat transport device forms part of a larger structure, which is often the case,

og hvor andre konstruksjonsdeler utøver krefter på beholderen f.eks. som følge av sin egenvekt. Særlig ved høye driftstemperaturer hvor stivheten av beholderveggene er betraktelig mindre enn ved værelsestemperatur, fører dette ofte til en deformering ved innpresning, slik at beholderveggene kan briste. j and where other structural parts exert forces on the container, e.g. as a result of its own weight. Especially at high operating temperatures, where the stiffness of the container walls is considerably less than at room temperature, this often leads to deformation when pressed in, so that the container walls can burst. j

Den porøse masse kan da løsne fra beholderveggen og/eller dens kapillarvirkning kan beskadiges i den grad at tilbakeføringen av kondensatet ikke lenger skjer i ønsket grad... The porous mass can then detach from the container wall and/or its capillary action can be damaged to the extent that the return of the condensate no longer occurs to the desired extent...

Valg av tykkere og dermed stivere beholdervegger er ofte Thicker and thus stiffer container walls are often chosen

ikke mulig på grunn av vekt, fremstillingspris og tillatte dimensjoner med hensyn til veggtykkelse av varmegjennomgangsveggen som igjen gjør seg gjeldende ved varmemotstanden. not possible due to weight, production price and permitted dimensions with regard to wall thickness of the heat passage wall which in turn affects the heat resistance.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe en varmetransportanordning av den innledningsvis nevnte art hvor de oven- The purpose of the invention is to provide a heat transport device of the type mentioned at the outset where the above

for nevnte ulemper er opphevet på enkel og billig måte. for the aforementioned disadvantages are eliminated in a simple and cheap way.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at det i beholderen er anordnet et eller flere støtteorganer som understøtter beholderveggene mot utenfra utøvede trykkrefter og som tillater en dampstrøm- This is achieved according to the invention by one or more support members being arranged in the container which support the container walls against pressure forces exerted from the outside and which allow a steam flow

ning av varmetransportmediet i varmetransportretningen. ning of the heat transport medium in the heat transport direction.

Pa o denne maote understøttes beholderveggene og beholdes i en opprinnelig form og innbøyning av veggene, implosjon , eller annen beskadigelse av den porøse masses kapillarvirkning hindres. Det er naturligvis en mulighet for at den porøse masse som følge av termisk spenninger mellom beholderveggene og den porøse masse eller ved støt eller svingninger i veggen løsne, sørger støtteorganene for at den porøse masse beholder sin plass. In this way, the container walls are supported and kept in their original shape and bending of the walls, implosion or other damage to the capillary effect of the porous mass is prevented. There is, of course, a possibility for the porous mass to loosen as a result of thermal stresses between the container walls and the porous mass or due to impacts or fluctuations in the wall, the support means ensure that the porous mass retains its place.

Støtteorganene kan f.eks. være dannet av perforerte, eventuelt med hverandre forbundne metallplater som er foldet i et sik-sak mønster, metallgas eller en struktur av staver og rør. The support bodies can e.g. be formed from perforated, possibly interconnected metal sheets that are folded in a zig-zag pattern, metal gas or a structure of rods and tubes.

Ifølge oppfinnelsen kan det være en fordel at støtteorgan-ene er dannet av en sammenpresset, porøs fyllmasse av tråd- eller båndformet materiale, hvis porer har en slik størrelse at betingelsen: According to the invention, it can be an advantage that the support members are formed from a compressed, porous filling mass of thread- or band-shaped material, the pores of which have such a size that the condition:

hvor % er overflatespenningen i det flytende varmetransportmedium, 0- er kontaktvinkelen for det flytende varmetransportmedium i den porøse masses porer, R er porenes hydrauliske radius i den porøse where % is the surface tension in the liquid heat transport medium, 0- is the contact angle for the liquid heat transport medium in the pores of the porous mass, R is the hydraulic radius of the pores in the porous

masse, 9-^er kontaktvinkelen for det flytende varmetransportmedium i fyllmassens porer, R-^er porenes hydrauliske radius i fyllmassen, Ap er trykktapet i det flytende varmetransportmedium i den porøse masse mellom den andre og første varmegjennomgangsvegg som følge av strømningsmotstanden i massen, jo er det flytende varmetransport-mediums tetthet, g er tyngdens aksellerasjon og h er høydeforskjel- mass, 9-^ is the contact angle for the liquid heat transport medium in the pores of the filling mass, R-^ is the hydraulic radius of the pores in the filling mass, Ap is the pressure loss in the liquid heat transport medium in the porous mass between the second and first heat passage walls as a result of the flow resistance in the mass, is the density of the liquid heat transport medium, g is the acceleration of gravity and h is the height difference

len mellom den første og andre varmegjennomgangsvegg. len between the first and second heat passage walls.

Med en slik fyllmasse kan beholderen fylles på enkel og billig måte. Tråd eller bånd kan anbringes løst i beholderen og deretter presses sammen, hvilket er fordelaktig ved beholdere hvor bestemte deler av det innvendige rom vanskelig kan nå, eller sammen-pressingen kan skje på forhånd eventuelt ved sintring. With such a filling compound, the container can be filled easily and cheaply. Wire or tape can be placed loosely in the container and then pressed together, which is advantageous for containers where certain parts of the interior space are difficult to reach, or the pressing can take place in advance possibly by sintering.

Det venstre ledd i den ovenfor angitte betingelse forut-setter en utpreget kapillarvirkning i den porøse masse for det flytende varmetransportmedium, idet den hydrauliske radius R er definert „™ o overflate The left-hand term in the above-mentioned condition presupposes a distinct capillary action in the porous mass for the liquid heat transport medium, the hydraulic radius R being defined „™ o surface

som 2 omkrets * as 2 circumference *

Kontaktvinkelen 9, nemlig vinkelen mellom væskeoverflaten og poreveggen, er ved en gitt væske avhengig av poreveggmaterialet og arten av veggoverflaten. Hvis i det foreliggende tilfelle materialet i den porøse fyllmasse er et annet enn materialet i den porøse masse, kan ved samme hydrauliske radius kapillarvirkningen være forskjellig. The contact angle 9, namely the angle between the liquid surface and the pore wall, for a given liquid depends on the pore wall material and the nature of the wall surface. If in the present case the material in the porous filling mass is different from the material in the porous mass, the capillary effect can be different at the same hydraulic radius.

Hvis man sørger for at ovenfor nevnte betingelse er opp-fylt, vil den porøse masse ha en så mange ganger større kapillarvirkning for væske enn den porøse fyllmasse at istedenfor den andre varmegjennomgangsvegg opptas hele kondensatet av den porøse masse og ikke av fyllmassen, idet kondensatet heller ikke vil gå over fra den porøse masse til.fyllmassen videre i retningen fra den andre til den første varmegjennomgangsvegg. If it is ensured that the above-mentioned condition is met, the porous mass will have a capillary effect for liquid that is so many times greater than the porous filling mass that, instead of the second heat passage wall, the entire condensate is taken up by the porous mass and not by the filling mass, as the condensate rather will not transfer from the porous mass to the filler mass further in the direction from the second to the first heat passage wall.

Damptransporten fra den første til den andre varmegjennomgangsvegg skjer gjennom fyllmassen praktisk talt uhindret. Steam transport from the first to the second heat passage wall takes place through the filling material practically unimpeded.

I praksis betyr dette at porene i fyllmassen må ha en større hydraulisk radius enn porene i den porøse masse. Forholdsvis store dimensjoner av porene i fyllmassen er også ønsket for å holde strømningstapene for damp og dermed temperaturgradienten mellom den første og andre varmegjennomgangsvegg minst mulig. For-trinnsvis består materialet i fyllmassen av stålull som byr på den fordel at den er billig, lett kan trykkes sammen til forskjellig form og i sammentrykket tilstand kan oppta betydelige flatetrykk. In practice, this means that the pores in the filling mass must have a larger hydraulic radius than the pores in the porous mass. Relatively large dimensions of the pores in the filling mass are also desired in order to keep the flow losses for steam and thus the temperature gradient between the first and second heat passage walls to a minimum. Preferably, the material in the filler consists of steel wool, which offers the advantage that it is cheap, can be easily compressed into different shapes and, in the compressed state, can take up considerable surface pressure.

Noen utførelseseksempler på oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til tegningene. Fig. la viser et lengdesnitt gjennom en beholder for en varmetransportanordning ifølge oppfinnelsen. Some embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings. Fig. 1a shows a longitudinal section through a container for a heat transport device according to the invention.

Fig. lb viser et snitt langs linjen Ib-Ib på fig. la. Fig. 1b shows a section along the line Ib-Ib in Fig. let.

Fig. 2a viser et lengdesnitt gjennom en annen utførelses-form av en beholder for en varmetransportanordning ifølge oppfinnelsen. Fig. 2a shows a longitudinal section through another embodiment of a container for a heat transport device according to the invention.

Fig. 2b viser et snitt langs linjen Ilb-IIb på fig. 2a. Fig. 2b shows a section along the line Ilb-IIb in Fig. 2a.

Fig. 3a viser et lengdesnitt gjennom en tredje utførelses- form av en beholder for en varmetransportanordning ifølge oppfinn-eisen. Fig. 3b viser et snitt langs linjen Illb-IIIb på fig. 3a. Fig. 4a viser et lengdesnitt gjennom en fjerde utførelses-form av en beholder for en varmetransportanordning ifølge oppfinnelsen. Fig. 3a shows a longitudinal section through a third embodiment form of a container for a heat transport device according to the claim. Fig. 3b shows a section along the line IIIb-IIIb in fig. 3a. Fig. 4a shows a longitudinal section through a fourth embodiment of a container for a heat transport device according to the invention.

Fig. 4b viser et snitt langs linjen IVb-IVb på fig. 4a- Fig. 4b shows a section along the line IVb-IVb in fig. 4a-

Fig. 1 viser en lukket beholder 1 med en første varmegjennomgangsvegg 2 og en andre varmegjennomgangsvegg 3» Beholderen er forøvrig varmeisolert overfor omgivelsene. På beholderens inner-vegg er anbragt en porøs masse 4 som har kapillarvirkning. Forøvrig er beholderen fylt med et støtteorgan i form av en porøs fyllmasse 5 som består av sammenpresset stålull hvis struktur er grovere enn Fig. 1 shows a closed container 1 with a first heat passage wall 2 and a second heat passage wall 3. The container is otherwise thermally insulated from the surroundings. A porous mass 4 is placed on the inner wall of the container, which has a capillary effect. Otherwise, the container is filled with a support member in the form of a porous filling mass 5 which consists of compressed steel wool whose structure is coarser than

strukturen av den porøse masse 4>dvs. porene i fyllmassen 5 er større enn porene i massen 4»the structure of the porous mass 4>ie. the pores in the filling mass 5 are larger than the pores in the mass 4"

Beholderen inneholder videre en egnet valgt mengde natrium The container further contains a suitably selected amount of sodium

som varmetransportmedium og er forøvrig evakuert. as a heat transport medium and is otherwise evacuated.

Under drift opptar det flytende natrium varme gjennom den første varmegjennomgangsvegg 2 fra en ikke nærmere beskrevet varme-kilde slik at natrium fordamper. Dampen strømmer gjennom porene i den sammenpressede stålull til den andre varmegjennomgangsvegg 2 During operation, the liquid sodium absorbs heat through the first heat passage wall 2 from a heat source not described in further detail so that the sodium evaporates. The steam flows through the pores in the compressed steel wool to the second heat passage wall 2

som følge av det lavere damptrykk som oppstår som følge av den lavere lokale temperatur, og kondenserer på den andre varmegjennomgangsvegg 3 under avgivelse av varme til den vegg, nemlig fordampningsvarmen. Kondensatet strømmer som følge av kapillarvirkningen under utnyttelse av overflatespenningen i kondensatet gjennom den porøse masse 4 tilbake til den første varmegjennomgangsvegg 2 hvor det fordamper på nytt. Tilbakeføringen av kondensatet finner sted uhindret av beholderens stilling, altså mot tyngdekraften eller uten tyngdekraftvirkning. as a result of the lower vapor pressure that occurs as a result of the lower local temperature, and condenses on the second heat passage wall 3 while giving off heat to that wall, namely the heat of evaporation. The condensate flows as a result of the capillary action while utilizing the surface tension in the condensate through the porous mass 4 back to the first heat passage wall 2 where it evaporates again. The return of the condensate takes place unimpeded by the container's position, i.e. against gravity or without the effect of gravity.

Da porene i den porøse masse 4 har mindre diameter enn porene i fyllmassen 5 vil alt det natrium som kondenseres på den andre varmegjennomgangsvegg 3 suges opp av porene i den porøse masse 4. Det finner således ikke sted noen tilbakeføring av kondensatet til den første varmegjennomgangsvegg 2 gjennom fyllmassen 5, slik' •at alle porene i fyllmassen også etterpå står til rådighet for transport av natriumdamp fra den første til den andre varmegjennomgangsvegg. As the pores in the porous mass 4 have a smaller diameter than the pores in the filling mass 5, all the sodium that condenses on the second heat passage wall 3 will be absorbed by the pores in the porous mass 4. There is thus no return of the condensate to the first heat passage wall 2 through the filling mass 5, so that all the pores in the filling mass are also afterwards available for the transport of sodium vapor from the first to the second heat passage wall.

Såvel når varmetransportanordningen er ute av drift og beholderen befinner seg på værelsestemperatur, som under drift ved en driftstemperatur på f.eks. 600-800°C er damptrykket av natriumet i beholderen betydelig lavere enn atmosfæretrykket utenfor. Som følge herav utsettes særlig den øvre og nedre vegg av beholderen 1 som har forholdsvis stor overflate for betraktelig mekanisk belastning. Den derved sammenpressede stålull som danner den porøse fyllmasse 5 sørger da for at beholderveggene understøttes. Fyllmassen er da tilstrekkelig trykkfast til å sørge for at beholderveggene ikke bøyes inn eller brister, eller at kapillarstrukturen i den porøse masse 4 beskadiges resp. at massen 4 ikke løsner fra veggene. Both when the heat transfer device is out of operation and the container is at room temperature, as during operation at an operating temperature of e.g. At 600-800°C, the vapor pressure of the sodium in the container is significantly lower than the atmospheric pressure outside. As a result, the upper and lower wall of the container 1, which has a relatively large surface area, is particularly exposed to considerable mechanical stress. The thereby compressed steel wool which forms the porous filling mass 5 then ensures that the container walls are supported. The filling mass is then sufficiently pressure-resistant to ensure that the container walls do not bend or burst, or that the capillary structure in the porous mass 4 is damaged or that the mass 4 does not detach from the walls.

På fig. 2-4 har bestanddelene samme henvisningstall som In fig. 2-4, the components have the same reference number as

på fig..1. Virkemåten er også den samme som beskrevet ovenfor. on fig..1. The operation is also the same as described above.

På fig. 2 består støtteorganer av et antall metallplater In fig. 2, support means consist of a number of metal plates

6 som er anordnet på tvers av varmetransportretningen, og disse plater er forsynt med et antall åpninger 7 gjennom hvilke det dampformede varmetransportmedium kan strømme fra den første til den andre varmegjennomgangsvegg. Platene 6 er igjen forbundet med støtte-organet i form av staver 8. 6 which is arranged across the heat transport direction, and these plates are provided with a number of openings 7 through which the steam-shaped heat transport medium can flow from the first to the second heat passage wall. The plates 6 are again connected to the support body in the form of rods 8.

På fig. 3 består støtteorganene av et nettverk av med hverandre forbundne staver 9 og 10. Transporten av det dampformede varmetransportmedium fra den første til den andre varmegjennomgangsvegg skjer da gjennom åpningene i nettverket. In fig. 3, the support members consist of a network of interconnected rods 9 and 10. The transport of the steam-shaped heat transport medium from the first to the second heat passage wall then takes place through the openings in the network.

På fig. 4 består støtteorganet av en metallgas som er foldet i et sik-sak mønster,. Det fordampede varmetransportmedium strømmer gjennom maskene i gasen 11 fra den første til den andre varmegjennomgangsvegg. Atmosfæretrykket på den øvre og nedre vegg av beholderen 1 opptas i det minste delvis av gasen 11 og delvis av varmegjennomgangsveggene 2 og 3- In fig. 4, the support means consists of a metal gas which is folded in a zig-zag pattern. The vaporized heat transport medium flows through the meshes in the gas 11 from the first to the second heat passage wall. The atmospheric pressure on the upper and lower walls of the container 1 is taken up at least partly by the gas 11 and partly by the heat passage walls 2 and 3-

Selv bm det bare er vist fire forskjellige utførelsesformer av støtteorganet, er det selvsagt innenfor oppfinnelsens ramme mulig med andre konstruksjoner, og selv om det i utførelseseksemplene er vist en firkantet beholder er det klart at beholderen kan ha en hvilken som helst annen form, f.eks. sylindrisk, U-formet, V-formet eller mangekantet tverrsnitt osv. Even though only four different embodiments of the support member are shown, it is of course possible within the scope of the invention to have other constructions, and even though a square container is shown in the embodiment examples, it is clear that the container can have any other shape, e.g. e.g. cylindrical, U-shaped, V-shaped or polygonal cross section, etc.

Claims

1. Heat transport device with a closed container with on one side at least a first and on the other side at least a second heat passage wall, which container contains a heat transport medium that absorbs heat through the first heat passage wall when transitioning from liquid to vapor phase, and emits heat to the second heat passage wall at the transition from vapor to liquid phase, as well as a porous mass which connects the second heat passage wall with the first in such a way that through this mass, medium that is condensed on the second heat passage wall by capillary action can flow back to the first heat passage wall, characterized in that in the container (1) one or more support members (5; 6,8; 9310; 11) are arranged which support the container walls against pressure forces exerted from the outside and which allow a steam flow of the heat transport medium in the heat transport direction.

2. Device according to claim 1, characterized in that the support members are formed from a compressed, porous filling mass (5) of thread- or band-shaped material, e.g. steel wool, whose pores have such a size that the condition:

where y is the surface tension in the liquid heat transport medium,

0 is the contact angle for the liquid heat transport medium in the pores of the porous mass, R is the pore hydraulic radius in the porous mass, 0^ is the contact angle..for the liquid heat transport medium in the pores of the filling mass, is the hydraulic radius of the pores in the filling mass, Ap is the pressure loss in the liquid heat transport medium in the porous mass between the second and first heat passage walls as a result of the flow resistance in the mass, / is the density of the liquid heat transport medium, g is the acceleration of gravity and h is the height difference between the first and second heat passage walls.