NO130371B - - Google Patents

Description

Varmetransportanordning.

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-

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.

Anordninger av denne art er kjent fra U.S.A. patentskrifter

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.

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.

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,

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

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...

Valg av tykkere og dermed stivere beholdervegger er ofte

ikke mulig på grunn av vekt, fremstillingspris og tillatte dimensjoner med hensyn til veggtykkelse av varmegjennomgangsveggen som igjen gjør seg gjeldende ved varmemotstanden.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe en varmetransportanordning av den innledningsvis nevnte art hvor de oven-

for nevnte ulemper er opphevet på enkel og billig måte.

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-

ning av varmetransportmediet i varmetransportretningen.

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.

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.

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:

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

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-

len mellom den første og andre varmegjennomgangsvegg.

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.

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

som 2 omkrets *

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.

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.

Damptransporten fra den første til den andre varmegjennomgangsvegg skjer gjennom fyllmassen praktisk talt uhindret.

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.

Noen utførelseseksempler på oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til tegningene. Fig. la viser et lengdesnitt gjennom en beholder for en varmetransportanordning ifølge oppfinnelsen.

Fig. lb viser et snitt langs linjen Ib-Ib på fig. la.

Fig. 2a viser et lengdesnitt gjennom en annen utførelses-form av en beholder for en varmetransportanordning ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2b viser et snitt langs linjen Ilb-IIb på 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. 4b viser et snitt langs linjen IVb-IVb på 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

strukturen av den porøse masse 4>dvs. porene i fyllmassen 5 er større enn porene i massen 4»

Beholderen inneholder videre en egnet valgt mengde natrium

som varmetransportmedium og er forøvrig evakuert.

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

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.

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.

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.

På fig. 2-4 har bestanddelene samme henvisningstall som

på fig..1. Virkemåten er også den samme som beskrevet ovenfor.

På fig. 2 består støtteorganer av et antall metallplater

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.

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.

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-

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.

Claims (2)

1. 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-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,karakterisertved at det i beholderen (1) er anordnet et eller flere støtteor-ganer (5; 6,8; 9310; 11) som understøtter beholderveggene mot utenfra utøvede trykkrefter og som tillater en dampstrømning av varmetransportmediet i varmetransportretningen.

2. Anordning ifølge krav 1,karakterisertved at støtteorganene er dannet av en sammenpresset, porøs fyllmasse (5) av tråd-eller båndformet materiale, f.eks. stålull, hvis porer har en slik størrelse at betingelsen:

hvor y er overflatespenningen i det flytende varmetransportmedium,

0 er kontaktvinkelen for det flytende varmetransportmedium i den porøse masses porer, R er poreneehydrualiske radius i den po<p>øse masse, 0^er kontaktvinkelen..for det flytende varmetransportmedium i fyllmassens porer, 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,/ er det flytende varmetransportmedi-ums tetthet, g er tyngdens akselerasjon og h er høydeforskjsllen mellom den første og andre varmegjennomgangsvegg.