NO773107L - Varmeoverfoeringsinnretning. - Google Patents

Description

Varmeoverføringsinnretning.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for forbedret varmeoverføring ved bruk av et metallrør med varmeoverføringsinnretninger på rørets innerflate, en forbedret varmeoverf øringsinnretning og en varmeveksler av mantel- og rør-typen.

I systemer som omfatter overføring av varme gjennom en rørvegg, er en mangfoldighet av teknikker blitt foreslått for oppnåelse av økt innerflate-varmeoverføring, d.v.s. overflate-økning i form av fremspring fra eller fordypninger i veggflaten, forskutte overflateøkninger i form av legemer med strømlinjeform eller lignende fyllmateriale som innføres i rørene, fremming av hvirvelstrømning ved hjelp av propeller eller spiralinnsatser, vibrasjon og elektrostatiske felt. Den slags teknikker krever energitilførsel og økning av varmeoverføringen på bekostning av uforholdsmessig stort energiforbruk har begrenset utnyttelsen av forbedringsinnretninger som forøvrig har fordelaktige egen-skaper. Forbedringen av varmeoverføringsverdien analyseres derfor vanligvis på et grunnlag som har relasjon til den energi-mengde som kreves for oppnåelse av slik forbedring, hvorved man får en antydning om systemets omkostningsforhold.

Overflateøkning har tiltrukket seg mest oppmerksomhet pa grunn av sine omkostningsforhold og det handelsføres rør som har fremspringende finner eller innpressede kanaler, som eikten forløper rundt røromkretsen eller aksialt langs røret. Kanalene eller finnene kan også følge en spiralformet bane, slik at det dannes en hvirvlende strømning i røret. Rifling av overflaten er også vanlig, likesom innføring av geometrisk symmetriske fremspring med jevne mellomrom, d.v.s. ruteformede pyramider og kvadratiske blokker. Det er kjent varmeoverføringsverdier og trykkfalldata for en mangfoldighet av tilgjengelige former for overflateøkende innretninger og det er også kjent tilsvarende data for systemer, som hittil ikke er markedsført. Disse data tilsier at en tilfeldig sandkornfinish fremstilt av Dipprey & Sabersky ("Heat and Momentum Transfer in Smooth and Rough Tubes", Journal of Industrial Heat and Mass Transfer, 1963,

bd. 6, s. 329»353) er spesielt effektiv med henblikk på øknings-graden av varmeoverføringsverdier som kan oppnås pr. brukt energienhet. Dipprey-Sabersky-røret ble fremstilt ved elek-troplettering av nikkel |ver kjerner som var belagt med tett-pakkede, sorterte sandkorn. Kjernene ble deretter kjemisk opp-løst og det gjenstående, massive nikkelskall med overflatefor-dypMnger virket som prøverør. Rørveggens materiale var meget rent og jevnt tvers igjennom og representerte derfor en varmeoverf øringsinnretning som ikke ble svekket av hulrom eller materialer med dårligere ledeevne enn nikkel. De anførte data tyder på at et homogent nikkelrør med innvendig "speilbilde"-sandkornfinish er en effektiv varmeoverføringsinnretning, især med henblikk på forholdet overføringsøkning-energiforbruk. Følgelig ville man ha ventet industriell utnyttelse av slike systemer. Utgiftene i forbindelse med fremstillingen av det her omtalte rør har dog opphevet de omkostningsforhold som ellers ville forbindes med et slikt system.

Varmeoverføringsøkende flaters adferd analyseres vanligvis som generelt produktforhold R - f hvor

hof

h = den endrede flates varmeoverføringskoeffisient ho = en glatt flates varmeoverføringskoeffisient f = Fannings friksjonsfaktor av den endrede flate fo = Fannings friksjonsfaktor av en glatt flate. Forholdet R relaterer forbedringen av varmeoverførings-verdien og væskestrømningens friksjonstap som ledsager forbedringen. Ved systemer, der R er tallet ett, vil den prosentvise økning av varmeoverføringsverdien f.eks. være lik den prosentvise økning av friksjonstap. Det kjennes verdier av R som nærmer seg 1,0 for overflater som øker varmeoverføringsverdien 2-3 ganger.

En hensikt med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en innretning for økt varmeoverføring av metallrørtypen med varmeoverføringsøkende organer på innerflaten og med et generelt produktforhold R som i det minste nærmer seg tallet ett og som er forholdsvis rimelig i produksjon på kommersiell masse-produksjonsbasis.

En annen hensikt er å tilveiebringe en innretning for økt varmeoverføring av ovennevnte type med et generelt produktforhold som er betydelig høyere enn tallet ett.

Ytterligere en hensikt er å tilveiebringe en forbedret varmeveksler av manteltypen som utmerker seg ved varmeoverføringsøkende innretninger på rørets innerflate under turbulente1 strømningsforhold.

En annen hensikt med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte for økt varmeoverføring i en varmeveksler av manteltypen, hvor et første fluidum strømmer gjennom rørene under turbulente strømningsforhold i varmeutvekslingsforhold med et andre fluidum på mantelsiden.

Andre formål og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå av nedenstående beskrivelse og kravene.

Oppfinnelsen vedrører en varmeoverføringsinnretning ved bruk av et métallrør med varmeoverføringsøkende innretninger på underlagets innerflate, en varmeveksler av mantel- og rør-typen, og en fremgangsmåte for økt varmeoverføring for medier som strømmer gjennom et métallrør.

Når det gjelder apparataspektet av foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en innretning for økt varmeoverføring, som omfatter et métallrør med et innerflateunderlag og ett enkelt sjikt av tilfeldig fordelte metallegemer, som hvert p for seg er bundet til underlaget og har innbyrdes avstand og er i det vesentlige omgitt av underlaget, slik at det dannes hulrom. Rørets effektive innvendige diameter og legemehøyde har relasjon til hverandre, slik at forholdet d/D, hvor e er den aritmetiske gjennomsnittsnøyde av legemene på underlaget og D er den effektive innvendige diameter av røret, er minst 0,006, og hulrommet utgjør mellom 10$ og 90$ av underlagets totale flate. Når ovennevnte forbedrede varmeoverføringsinn-retning benyttes for fri varmeoverføring, er d/D mindre enn 0,02.

Foreliggende oppfinnelse vedrører også en varmeveksler med en mangfoldighet av métallrør i flukt med hverandre i lengderetning og med innbyrdes avstand på tvers samt forbundet i motstående ender med væskein&taks- og væskeutløps- manifolder, og med en mantel som omgir rørene, med organer for væsketilførsel og væskeutløp, hvor hvert rør har en innerflate som.danner underlag og en ytterflate som danner underlag. Forbedringen omfatter ett enkelt sjikt av tilfeldig fordelte metall-legemer som hvert for seg er bundet til innerflateunderlaget, har innbyrdes avstand og i det vesentlige er omgitt av innerflateunderlaget, slik at det dannes hulrom. Rørets effektive innvendige diameter og legemehøyden har relasjon til hverandre, slik at forholdet e/D, hvor e er den aritmetiske middelhøyde av legemene på innerflateunderlaget oggD er den effektive innvendige rørdiameter, er minst 0,006 og hulrommet er mellom 10 og 90$ av den totale innerflate. Et flersjikt-lag av stablede metallpartikler bindes integrert sammen og til ytterflateunder-laget for dannelse av gjensidig forbundne porer med kapillar-størrelse med en likeverdig poreradius som er mindre enn ca. 0,11^3 mm. Kombinasjonen av dette sjikt (for økt kokevarme-overføring) med det enkle metallegemesjikt skaper tilpassede forbedrede varmeoverføringskoeffisienter på hver side av metall-rørveggen og en bemerkelsesverdig effektiv varmeveksler og varmeoverføringsmetode.

Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte for økning av varmeoverf øringen mellom en første væske sred en første inn-løps temperatur og en andre væske ved en andre utgangstemperatur som er vesentlig forskjellig fra nevnte første innløpstemperatur i en varmeveksler, hvor nevnte første væske får strømme gjennom minst ett métallrør i varmeoverføringsforhold til den andre væske på utsiden av røret. Ett enkelt sjikt tilfeldig fordelte metallegemer tilveiebringes, hvor hvert ih&geme er bundet for seg til rørets innerflateunderlag og har avstand fra de øvrige legemer og i det vesentlige er omgitt av underlaget, slik at det dannes hulrom, hvor rørets effektive innvendige diameter og légemehøyde står i relasjon til hverandre, slik at forholdet e/D, hvor e er den aritmetiske middelhøyde av legemene på underlaget og D er den effektive innvendige rørdiameter er minst 0,006 og legemehulrommet er mellom 10 og 90$ av underlagets totale flate. Første væske ledes gjennom røret under turbulente strømningsforhold i minst en del av røret, slik at Reynolds tall i en slik rørdel svarer til minst 9000.

Ved et foretrukket utførelseseksempel av ovenfor om talte fremgangsmåte for forbedret overføring av fri varme, passerer første fluidum gjennom røret utelukkende i væskefase i kontakt med den flate som er belagt med metallegemer og har et varmeoverføringskoeffisientforhold til en glatt rørflate h s /h o på minst 1,8 og et Fannings friksjonsfaktorforhold til

en glatt rørinnerflate f /f , slik at h f /h f er minst 0. 95»

s o' so' os

Ved en annen foretrukket fremgangsmåte for forbedret kondensa-sjonsvarmeoverføring blir første fluidum i det minste delvis kondensert mens det passerer gjennom nevnte rør i kontakt med flaten som er belagt med ett metallegemesjikt og har et varmeoverf øringskoef f isientf orhold til en glatt rørflate hc/hQ på minst 2,5 og Fannings friksjonsfaktorforhold til en glatt rør-innerf late f o' /f c', som er slikt at det generelle produktforhold

h f /h f er minst 1,4.

c o' o c '

I systemer som omfatter turbulent væskestrømning, kan et laminært nedre væskesjikt foreligge ved fasegrensene og ut-øve motstand mot varmevekslingen mellom fasene. Motstanden er direkte proporsjonal med tykkelsen av det laminære sjikt og denne motstand vil styre varmeoverføringsverdien i varmevekslingen mellom rørveggen og den strømmende væske. Ved overføring av fri varme dannes ett enkelt laminært nedre strømnings-sjikt ved rørets innervegg, og overflaten som ifølge oppfinnelsen er belagt med metallegemer, virker som strømnings-oppbry-tende innretning, som fremmer omdannelse fra laminær til turbulent strømning i væskens nedre sjikt, hvorved dette sjikts dybde og motstand mot varmeoverføring reduseres.

I systemer som omfatter kondensasjonsvarmeoverføring

og hvor en nesten mettet damp innføres i et rør for å strømme

gjennom dette og avkjøles ved kontakt med den kjølte rørveggen, vil kondensasjonsfluidumets strømningsforhold variere over rørets aksiale lengde som følge av kondensaib&nsamlingen. Det er fastslått at. det utvikles en første tilstand ved innløpsenden av den forbedrede varmeoverføringsinnretningen, hvor flaten med metallegemebelegg er i det vesentlige fri for kondensat og hovedmotstanden mot varmeoverføring representeres av det nedre, laminære dampfasesjikt som dannes ved innretningens innerflate (illustrert som sone I i fig. 7)«

En annen tilstand utvikles med dannelsen av kondensat, hvor ansamlingen av flytende kondensat på den metallegemebelagte flate isolerer dette parti av rørets innervegg termisk og den primære varmefluksbane går gjennom den del av metallegemene som rager over dybden av ansamlet kondensat (illustrert som sone II i fig. 7).

En tredne tilstand foreligger i utløpspartiet av den forbedrede varmeoverføringsinnretning og omfatter ansamling av kondensat til en dybde som overstiger høyden "e" av metall-legemene (illustrert som sone III i fig. 7)t I utløpsfasen foreligger to. fasegrenser: en ved damp/væske-grenseflaten og den andre ved væske/vegg-grenseflaten. Det er utviklet en matematisk modell for et studium av den forbedrede varmeoverføringsinnretningens driftskarakteristika ved kondensasjons-varmeoverf øring. Modellen viser at utløpspartiets tilstand (sone III) i rør av standardlengde, d.v.s. større enn 1,5 m,

rår over største delen av rørets lengde og at det laminære væskesjikt som er tilordnet væske/vegg-grenseflaten, utøver en motstand mot varmefluks som styrer kondensasjonshastigheten i det partiet.

Det har vist seg at motstanden som styrer kondensa-sj onsvarmeoverf øringens hastighet i hoveddelen av rørets aksiale utstrekning har forbindelse med væske/vegg-grenseflaten, slik at flaten med ett la-g av metallegemer er virksom, når det gjelder å øke varmeoverføringen i nevnte hovedpart!. Følgelig har fri varmeoverføring og innvendig kondensasjonsvarmeoverføring en mekanisme til felles som involverer tilveiebringelse av turbulens i det ellers laminære, nedre væskesjikt, som foreligger ved rørets innervegg.

Ved turbulent strømning har den trykkreduksjon væsken utsettes for relasjon til skjærspenningene som dannes ved fasegrensene. Ved overføring av fri varme foreligger en enkelt slik fasegrense ved rørets innervegg. Nettopp den turbulens som den metallegemebelagte flate ifølge oppfinnelsen fremmer for å øke varmeoverføringen, vil uheldigvis også øke skjærspenningene som er aktive langs fasegrensen, hvorved trykkfalleti i væsken økes. Men kondensasjonsvarmeoverføring omfatter de to fasegrensene som er omtalt ovenfor. En foreligger ved damp/ væske-grenseflaten og den andre ved væske/vegg-grenseflaten. Skjærspenninger virker ved hver av disse fasegrenser og det totale energitap er summen av de individuelle tap som oppstår ved hver fasegrense. Det er fastslått at den forbedrede varmeoverføringsinnretning ifølge oppfinnelsen ikke avgjørende påvirker

strømningsforholdene ved damp/væske-grenseflaten og energitapene i forbindelse med denne. Følgelig vil den uønskede, men uunn-

i

gåelige, ubetydelige økning av væsketrykktap (i forhold til hva som er tilfelle ved et rør med glatt innervegg), som oppstår ved praktisk gjennomføring av oppfinnelsen, ha større betydning ved overføring av fri varme.

Ved gjennomføring av oppfinnelsen utføres bestemmelsen av hulrommet ved forstørrelse av et planriss av den belagte flate og visuell telling av antallet metallegemer pr. underlagsflateenhet. Det areal som dekkes av et metall^geme,'"står direkte i relasjon til dimensjonen av metallegemet, og den visuelle telling gir mulighet for å bestemme det areal som dekkes av metallegemer pr. underlagsflateenhet. Hulrommet av den belagte flate er det udekkede areal og uttrykkes her som prosent av underlagsarealet.

Som nærmere omtalt nedenfor, i forbindelse med fremstilling av forbedrede varmeoverføringsinnretninger for eksperimenter med overføring av fri varme og kondensasjonsvarme, kan metallegemene f.eks. omfatte en blanding av kobber som hovedkomponent og fosfor (loddelegeringskomponent) som mindre komponent. Ved en annen kommersielt hensiktsmessig utførelse kan metallegemene omfatte en blanding av jern som hovedkomponent og fosfor og nikkel (sistnevnte av hensyn til korrosjonsmotstanden) som mindre komponenter.

Fig. 1 er et mikrofotografi rett ned på ett enkelt sjikt av tilfeldig fordelte metallegemer, som hvert er bundet til et rørformet underlag (lOX forstørrelse). Fig. 2 er et skjematisk snitt av en innretning for forbedret varmeoverføring ifølge oppfinnelsen^ Fig. 3 er et mikrofotografi av en innretning for forbedret varmeoverføring med det enkle sjikt av metallegemer bundet til innerflateunderlaget og med et porøst sjikt av stablede metallpartikler bundet til ytterflaten (50X forstørrelse). Fig. k er en grafisk fremstilling av varmeoverførings-

koeffisientiÉQrholdet h /h til e/D x 10 for overføring av fri

so' .

varme for vann.

Fig. 5 er en grafisk gjengivelse av det generelle pro-duktforholdet h f /h f overfor e/D x 10 for overføring av fri

varme for vann.

Fig. 6 er et strømningsskjerna for et vannkjølings-system ved bruk av innretningen for forbedret varmeoverføring ifølge oppfinnelsen for overføring av fri varme. Fig. 7 er et skjematisk riss av en innretning for forbedret varmeoverføring, som viser tre adskilte soner. Fig. 8 er en grafisk gjengivelse av kondensasjonsvarme-overføring overfor kjølemiddel-12-strømningsverdi for et delvis kondensert produkt med lav utløpskvalitet ved bruk av varmeoverføringsinnretningen ifølge oppfinnelsen hhv. et métallrør med glatt innerflate. Fig. 9 er en grafisk gjengivelse av trykkfallet sammenlignet med kjølemiddel-12•s strømningsverdi for et delvis kondensert produkt med lav utløpskvalitet ved bruk av varmeoverførings-innretningen ifølge oppfinnelsen og et métallrør med glatt innerflate for kondensasjon. Fig. 10 er en grafisk gjengivelse av kondensasjonsvarme-overf øringskoef f isienten overfor kjølemiddel-12<*>s strømningsverdi for et delvis kondensert produkt med høy utløpskvalitet ved bruk av varmeoverføringsinnretningen ifølge oppfinnelsen og et métall-rør med glatt innerflate. Fig. 11 er en grafisk gjengivelse av trykkfallet overfor kjølemiddel-12's strømningsverdi for et delvis kondensert produkt med høy utløpskvalitet ved bruk av varmeoverføringsinnret-ningen ifølge oppfinnelsen og et métallrør med glatt innerflate for kondensasjon. Fig. 12 er en grafisk gjengivelse av kondensasjonsvarme-overføringskoeffisienten og trykkfallet for kjølemiddel-12 i relasjon til e/D for et 3 m langt rør ved en varmefluks Q/A på 20.000 BTU/time pr. fot<2>. Fig. 13 er et strømningsskjema for et separasjonssys-tem for etylen og hydrokarbon med høy molvekt ved bruk av varmeoverf øringsinnretningen ifølge oppfinnelsen for kondensasjons-varmeoverføring. Fig. 1 er et mikrofotografi av ett enkelt sjikt av tilfeldig fordelte metallegemer som hvert er bundet til et rør-formet underlag. Dette enkelt-sjikt ble fremstilt ved at kobberpulver først ble siktet for oppnåelse av en gradert fraksjon, d.v.s. en fraksjon som passerer gjennom 60 og holdes igjen på

100 mesh US standard sikt. Kobberpulveret ble deretter i tørr tilstand blandet med en 325 mesh. fosfor-kobber-loddelegering, bestående av 92 vekt-$ kobber og 8 vekt-$ fosfor. Den tørre blanding bestod av et forhold på 4 vektdeler kobber til 1 vekt-del-fosfor-kobber. Den tørre blanding ble deretter dispergert i en oppløsning av 6 vekt~$ polyisobutylen i parafin. Den resulterende blanding ble utsatt for luft ved værelsestempera-tur, hvorved parafinen fordampet. Etter denne behandling var fosfor-kobber-loddelegeringens partikler jevnt fordelt på og vedheftet til kobberpartiklenes overflate ved hjelp av polyiso-butyleiibelegget. Pulveret var tørt å ta på og fritt hellbart.

Et kobberrør med en innvendig diameter på 17,25 mm og en utvendig diameter på ca. 19,05 mm ble belagt med en oppløsning av 10$ polyisobutylen i parafin ved at røret ble fylt med oppløsningen og deretter fikk renne av. Deretter ble de forhåndsbelagte partdkler helt gjennom røret og derved ble innerflaten dekket

med forhåndsbelagte partikler. Røret ble ovnsbehandlet ved

871 oC i 15 minutter i en atmosfære av disassosiert ammoniakk, avkjølt og deretter utprøvet som forbedret varmeoverførings-innretning med henblikk på varmeoverføring og væskestrømnings-friksjonskarakteristikk. Det skal bemerkes at de tilfeldig fordelte metallegemer kan omfatte flere partikler som er bundet til hverandre eller en enkelt, forholdsvis stor partikkel.

Denne forhåndsbelegning er ikke en del av foreliggende oppfinnelse, men er beskrevet i patentskrift nr. (norsk patent-søknad nr.

Ovenfor omtalte forbedrede varmeoverføringsinnretning kan karakteriseres ved forholdet e/D, hvor e er den aritmetiske "middelhøyde av legemene på rørets innerflate-underlag pg D er rørets effektive innvendige diameter. Den er ogsåkarakterisert vedhulromprosenten av underlagets totale areal, d.v.s.

den andel av underlagets totale areal som ikke er dekket av legemenes grunnflater. Disse karakteristikker er illustrert i fig. 2, hvor S representerer en del av hulrommet. På grunnlag av disse karakteristikker har ovenfor omtalte prøveinnretning en verdi e på 6,213 mm, en verdi D på 17,247 mm, og et hulrom på ca. 50$ av det totale underlagsareal.

Fig. 6 er et strømningsskjerna av vannkjølesysternet som ble benyttet i en prøve for å demonstrere varmeoverførings- og strømningsfriksjonstrekk ved ovennevnte varmeoverføringsinn-retning og som også representerer en typisk kommersiell anvendelse av innretningen. Vann varmes opp ved indirekte varmeveksling; med damp i en varmeveksler Q og pumpes med vannpumpen 2 til vannkjøleren 3»hvor det avkjøles ved vasnmeveksling med

kokende kjølemiddel R-22. Det fordampede kjølemiddel R-22 som forlater vannkjøleren 3»settes igjen under trykk i kompres-soren 4, kondenseres ved varmeveksling med kjølevann i konden-satoren 5»ekspanderes gjennom ventilen 6 og returneres til vannkjøleren 3. Trykkfall-strømningshastighetsforhold ble målt for den forbedrede varmeoverføringsinnretning og for et rør av samme størrelse uten den metallegemebelagte flate på innerveggen, d.v.s. med en glatt vegg. I hvert tilfelle ble rørets utside belagt med et fler-sjikts-belegg av stablede kobberpartikler som var integrert sammenbundet for dannelse av innbyrdes forbundne porer med kapillarstørrelse, som beskrevet i US patentskrift 3 384 154 (R.R. Milton, porøst kokesjikt).

Forbedringen av overføringen av fri varme i ovennevnte prøveinnretning og andre lignende innretninger fremstilt ved ovennevnte fremgangsmåte for forhåndsbelegning er illustrert i fig. 4.

Alle forbedrede varmeoverføringsinnretninger som ble benyttet for prøvene som er sammenfattet i fig. 4 og 5> var identiske med ovennevnte innretning, bortsett fra metallegeme-høyden e, som hadde følgende verdier: 3»5» 6,5, 8,4, 10,8, 14,1, 19>9, alle ganger 10 inch.) Fig. 4 viser at forbedringen av overføringsverdien for fri varme som oppnås med innretninger ifølge, oppfinnelsen øker med e/b opp til er verdi på ca. 0,02. Deretter blir h /h konstant ved ca. 2,5 med ytterligere økning i e/D. Varmeoverføringsforbedringen oppnås på bekostning av økt energiforbruk, idet turbulensen medfører økning av Fannings friksjonsfaktor, og økt energiforbruk nødvendiggjøres for å pumpe væsken gjennom røret. Forholdet h/f kan hensiktsmessig benyttes for å analysere verdien av en bedret varmeoverføringsinnretning. Det.te forhold for en bedret flate h /f

s s (hvor s angir overføring av fri varme) eller h /f (hvor c

.."CC

angir overf øring ; av kondensas j onsvarme)., dividert med et slikt forhold for en glatt flate h /f angir om det kreves et uforholdsmessig stort energiforbruk for oppnåelse av en bedret

varmeoverføringsverdi. Innretninger med hfo/hof generelle produktforhold på minst tallet ett, øker varmeoverførings-verdien med en faktor som i det minste svarer til den ledsa-gende økning av væskestrømningsmotstanden.

Ved praktisk gjennomførelse av foreliggende oppfinnelse kreves e/D forhold på mirist 0,006 for oppnåelse av til-strekkelig bedring av varmeoverføringen for å gjøre den økte friksjon berettiget og for overføring av fri varme, som illustrert i fig. 4 og 5, bør e/D ikke overstige 0,02, idet ingen videre bedring av varmeoverføringskoeffisienten oppnås ved høyere verdier. Fig. 5 viser at det generelle produktforhold på grunn av den økende Fannings friksjonsfaktor avtar tilnærmet linéært ved et høyere e/D forhold enn ca. 12 x 10 — ^.

Ved praktisk utnyttelse av oppfinnelsen sendes væske gjennom røret under turbulente strømningsforhold i minst en del ar røret, slik at det ekvivalente Reynolds tall i et slikt rør-parti er minst 9000. "Ekvivalent Reynolds tall" er, slik be-grepet benyttes her, basert på fremgangsmåten som angitt i Ikers, W.W., Rosson, H.F., Chem.Eng.Prog., Symp. Ser. nr. 30,

s. 145-149 (l959)ibare når to faser (gass og væske) strømmer gjennom røret. Når det foreligger strømning av bare en fase,

er det ekvivalente Reynolds tall det samme som det konvensjonelle Reynolds tall, slik at den konvensjonelle metode ble brukt ved overføring av fri varme, som f.eks. gjennomført ved prøvene som er illustrert i fig. 4 og 5. Med mindre det ekvivalente Reynolds tall er minst 9000, foreligger det ingen turbulent strøm-ning i røret sammen med den karakteristiske, laminære film, som avbrytes av den metallegemebelagte flate ifølge oppfinnelsen. Ved de ovennevnte prøver var de ekvivalente Reynolds tall i om-rådet 18.000 til 65.OOO.

Det skal også bemerkes at foreliggende oppfinnelse ikke begrenser seg til et sirkulært tverrsnitt, men også kan benyttes for ikke-sirkulære, f.eks. ovale tverrsnitt, ved identifisering av D som effektiv innvendig diameter. "Effektiv innvendig diameter" betyr i denne forbindelse fire ganger rørets hydrauliske radius, som f.eks. beskrevet i Perry's Chemical Engineers Hand-book, s. 107, 2.oppi. (utgitt 194l).

Som tidligere nevnt, er hulrommet ved gjennomføring av foreliggende oppfinnelse mellom 10$ og 90$ av underlagets totale areal og fortrinnsvis mellom 30 og 80$. Ved de nevnte tester var samtlige forbedrede varmeoverføringsinnretningerkarakterisert vedet hulrom på ca. 50$. I andre prøver ble lavere, men fortsatt akseptable overføringskoeffisienter for fri varme opp-nådd med forbedrede varmeoverføringsinnretninger med ca. 80$ hulrom. Det er også mye som tyder på at betydelig forbedring av varmeoverføringen kan oppnås med hulrom opp til ca. 90$ av underlagets totale areal. Det skal bemerkes at Fannings friksjonsfaktor reduseres med færre metallegemer pr. arealenhet.

På den annen side har prøver vist at overføringskoeffisienten for fri varme ved 20$ hulrom er i det vesentlige den samme som ved 50$ hulrom, skjønt Fannings friksjonsfaktor er betydelig økt. De nevnte prøver for overføring av fri varme illustrerer en foretrukket fremgangsmåte for økt varmeoverføring ifølge oppfinnelsen, hvor første væske passerer gjennom røret utelukkende i væskefase i kontakt med den metallegemebelagte flate. Ved denne fremgangsmåte bringes første og andre væske i kontakt sied under slike betingelser (temperatur, trykk og strømningshastig-het) at første væskes varmeoverførings-koeffisientforhold til en glatt rørflate h S /h O er minst 1,8 og at Fannings friksjons-1faktorforhold for en glatt rørinnerflate til den metallegemebelagte flate fQ/fg er slik at det generelle produktforhold

h s f o</>h o f s er minst 0, 95* Følgelig later det til at det økte

so' os ' oo

trykkfall som oppstår ved hulrom under 10$ av underlagets totale areal ikke kan forsvares.

Ved den ovenfor omtalte fremgangsmåte for forhåndsbelegning for fremstilling av den bedrede varmeoverføringsinn-retning ble metallpulveret fremstilt ved sikting for oppnåelse av den ønskede legemehøyde e. Det ble spesielt funnet at det aritmetiske middel for minste siktåpnigg, gjennom hvilken partiklene passerte og den største siktåpning på hvilken partiklene ble holdt igjen, er lik e. Disse forhold er angitt i følgende tabell A:

Det er viktig å forstå at overflaten som ifølge oppfinnelsen er belagt med ett sjikt av metallegemer, er helt forskjellig fra ovennevnte porøse, fler-sjikts-kokeflate, hvor metallpartikler er stablet og integrert bundet sammen og til underlaget for dannelse av gjensidig forbundne porer med kapil-larstørrelse. Denne forskjell er illustrert i fig. 3 og for-skjellen i virkning er demonstrert ved en rekke tester, hvor kobberrør med innvendig diameter 17,247 mm ble innvendig belagt med ett-sjikt og fleresjikt-belegg av kobberpulver med forskjellige partikkelstørrelser. Disse innvendig belagte rør ble utprøvet i vannkjølesystemet ifølge fig. 6 ved bruk av vann som den væske som overfører fri varme og som sirkulerer gjennom røret ved et effektivt Reynolds tall på 35*000 og Prandlt tall på 10,0. Testresultatene er gjengitt i tabell B:

Det kan sluttes av tabell B at rør nr. 1,karakterisert vedforholdsvis fine partikler i fler-sjikt-form, er lite hensiktsmessig for gjennomføring av foreliggende oppfinnelse, idet både bedringen i overføring av fri varme og de generelle produktforhold er lave. Rør nr. 2 representerer ikke en ut-førelse av foreliggende oppfinnelse, idet e/D-fo^fholdet på 0,0044 ligger under nedre grense for 0,006. Det er signifi-kant at bedringen i overføring av fri varme, som representeres av forholdet 1,23»er forholdsvis lav og i det vesentlige lik Fannings friksjonsfaktorforhold i dette ett-sjikts-belegg av metallegemer. Rør nr. 3 svarer til rør nr. 1 for så vidt som det karakteriseres som en fler-sjiktanordning av stablede metallpartikler, men disse er forholdsvis grove, slik at d/D forholdet blir 0,012. Skjønt bedringen av overføring av fri varme i et forhold 2,1 er forholdsvis stor, er Fannings friksjonsfaktorforhold 2,7 enda høyere, slik at det generelle produktforhold er uakseptabelt lavt for gjennomføring av oppfinnelsen. Rørene nr. 1 og 3 illustrerer at fler-sjikts-anordninger av metallpartikler i en porøs overflateform gir forholdsvis god bedring av fri varmeoverføring, men på bekostning av vesentlig høyere væskestrømningstap som følge av friksjon, i motsetning til det enkle sjikt av metallegemer som benyttes i følge oppfinnelsen.

Rør 4 er ett enkelt sjikt av metallggemer med innbyrdes avstand med samme e/D som ved rør nr. 3»Tabell B viser at dets fri varmeoverførings-økningsforhold er omtrent det samme, som for rør 3, men Fannings friksjonsfaktorforhold er vesentlig lavere, slik at det generelle produktforhold er noe større enn tallet ett, Rør 4 representerer en foretrukket balanse mellom økt overføring av fri varme med begrenset økning av væske-friksjonen. Hvis det foreligger spesielle behov for maksimal overføringsøkning av fri varme, bør en noe grovere partikkel-fraksjon benyttes, som ved rør 5»Her er det brukt pautikler som gir et e/D-forhold på 0,021 og et overføringsøkningsforhold for fri varme på 2,46. Det skal bemerkes at Fannings friksjons-forhold er vesentlig høyere ifior rør 5 enn for rør 4, slik at det generelle produktforhold er redusert til 0,83.

Ovenstående diskusjon av rør nr. 5 kan generaliseres

i forbindelse med fig. 4 og 5»Basert på bare fig. 5»kunne man slutte at det ikke er noen fordel ved å benytte nevnte varmeoverføringsinnretning med e/D forhold som overstiger ca.

0,012, idet det generelle produktforhold avtar under tallet ett. Men fig. 4 viser at økningsforholdet for overføring av fri varme fortsetter å øke i det vesentlige lineært opp til e/D på ca. 0,020, slik at den nødvendige rørlengde for overføring av en spesifik varmemengde ved enkelte anvendelser er vesentlig redusert, f.eks. til mindre enn halvparten av det som kreves med rør med glatt innerflate. Denne anvendelse kan oppnås med moderat økning av pumpekraft, reflektert ved høyere Fannings friksj onsfaktorforhold.

For den bedrede varmeoverføringsinnretning, varmeveksler og fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen foretrekkes å utforme metall-legemene av partikler, hvorav hoveddelen vil passere gjennom 60 mesh US standard og holdes igjen på 80 mesh US standard. Tabell A viser at deitøbe partikkelutvalg fører til metallegemer med

en aritmetisk middelhøyde e på ca. 0,213 mm. Det er også for-delaktig å bruke métallrør med en effektiv innvendig diameter D mellom 12,7 mm og ca. 3 mm. Grunnen til dette er disse rørs virkning (som reflektert i e/D) på h og f , som f.eks. illustrert i fig. 4 og 5 og omtalt ovenfor.

Som nevnt, illustrerer fig. 7 de tre soner som kan foreligge i en bedret varmeoverføringsinnretning for i det minste partiell kondensasjon av en væske som passerer gjennom innretningen. Det skal bemerkes at økt kondensasjonsvarme-overf øring sannsynligvis bare finner sted i den lengde av røret, der metallegemene er i det minste delvis blottlagt for den turbulent strømmende væske. Det er også tidligere antydet at kondensas jonsutførelsen av foreliggende oppfinnelse ikke er så følsom for strømningstrykktaps-økning som utførelsen for overføring av fri varme. Generelt har det vist seg at oppfinnelsen gir kondensasjonsvarme-overføringskoeffisienter som er 3-^ ganger det som oppnås med et rør med glatt innerflate og at det nødvendige energiforbruk for å oppnå denne bedring er over-raskende mindre enn ventet. Som en illustrasjon kan nevnes at det er observert at det bedrede kondensasjonsvarme-overførings-forhold h c /h o er større enn 1,5 ganger Fannings friksjonsfaktor f /f .

c' o

Ved en annen serie eksperimenter ble et bedret varmeoverførings rør for prøver av kondensasjonsvarmeoverføring fremstilt ved den generelle fremgangsmåte som angitt ovenfor i for bindelse med fremstilling av overføringsinnretningen for fri varme. Kobberpulveret hadde passert en 30 mesh sikt og var holdt igjen på en 40 mesh sikt og partiklene, som på forhånd var blitt belagt med fosfor-kobber, ble bundet som metallegemer til innerflaten av et 3 ni langt kobberrør med en innvendig diameter på 14,529 mm. Det resulterende bedrede varmeoverføringsrør hadde et e/D forhold på 0,031 og 50$ hulrom.

Det således fremstilte rør ble utprøvet i et kjøle-middel-12-system med henblikk på både kondensasjonsvarmeover-føring og Fannings friksjonsfaktor og sammenlignet med et glatt rør, som ble brukt til kjølemiddel-12-kondensasjon under identiske forhold. Resultatene av disse prøver er sammenfattet i fig. 8, 9, 10 og 11. Fig. 8 og 9 gjelder driftsbetingelser med en forholdsvis høy, prosentvis kondensasjon av tilført væske, , d.v.s. utløpskvalitet 25-60$, og fig. 10 og 11 gjelder driftsbetingelser med forholdsvis lav, prosentvis kondensasjon, d.v.s. utløpskvalitet 60-90$. Overføringsbedringsforholdet h c /h o for kondensasjonsvarmenwar 2,4 for den lave og 4,0 for den høye utløpskvalitet. Fig. 9 og 11 viser at det trykkfall som væsken utsettes for, idet den passerer gjennom det bedrede varmeoverføringsrør, økte i forhold til det trykkfall som det glatte rør ga, men bare med 68$ hhv. 105$ for lav og høy utløpskvali-tet. Følgelig var de generelle produktforhold 1,43 for den lave utløpskvalitet (høy kondensasjonsprosent) og 1,95 for den tiøye utløpskvalitet (lav kondensasjonsprosent).

Det ble utviklet en matematisk modell for å forutsi kondensasjonsvarme-overføringskoeffisienter og Fannings frik-sjonsfaktorer for forskjellige driftsbetingelser og væsker, og denne ble sammenlignet med ovennevnte eksperiment-resultater.

Det viste seg at avvikelsen mellom forutsagte og målte verdier var forholdsvis liten og fig. 12 viser et generalisert forhold for kondensas j olas varme-over f øringskoef f isient og økt trykktap som funksjoner av e/D med kjølemiddel 12 i 3 m rørlengder og en varmefluks Q/A på 20.000 BTU/time-fot . Fig. 12 viser at trykkfallet øker med omtrent samme hastighet som kondensasjonsvarme-overf øringskoef f isienten, og dette forhold består for alle anvendelser av oppfinnelsen, når den benyttes for økt kondensasjonsvarme-overføring.

Fig. 13 illustrerer en potensiell kommersiell anvendelse av foreliggende oppfinnelse for overføring av kondénsa- sjonsvarme, hvor en etylen-hydrokarbonstrøm med høyere molvekt og etylen mates til flertrinns fraksjoneringsanordning 11 og etylen trekkes ut som øvre produkt gjennom ledningen 12. Sistnevnte blir totalt kondensert i en gruppe varmevekslere 13 ved strømning gjennom horisontale rør 14 i varmeveksling med pro-pylen som omgir rørene i en mantel 15. Det kondenserte etylen trekkes delvis ut gjennom ledningen 16 som produkt og resten returneres til fraksjoneringsinnretningen 11 gjennom ledningen 17 som tilfeakestrømning.

For den bedrede kondensasjonsvarme-overføringsinnret-ning, varmeveksleren og fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen dannes metallegemene fortrinnsvis av en hovedandel partikler som passerer gjennom en 30 mesh sikt og holdes igjen på en 60 mesh sikt. Tabell A viser at dette partikkelutvalg fører til metall-legemer som har en aritmetisk middelhøyde e på ca. 0,42 mm. Grunnen til at disse partikler foretrekkes, er virkningen av høyden e på h cog A?»som f. eks. illustrert i fig. 12.

Ovennevnte kondensasjonsvarme-overføringsprøver illustrerer en foretrukket fremgangsmåte for bedret varmeoverfø-

ring ifølge oppfinnelsen, hvor første fluidum iallfall blir delvis kondensert, mens det passerer gjennom røret i kontakt med flaten med ett sjikt av metallegemer. Ved denne fremgangsmåte bringes første og andre fluidum i kontakt ved forhold (temperaturer, trykk og strømningshastigheter) som bevirker at første fluidums varmeoverførings-koeffisientforhold til en glatt rørflate (h c /ho)er minst 2,5 og at Fannings friksjonsfaktorforhold for en glatt rørinnerflate sammenlignet med, fla-

ten med ett sjikt av metallegemer fQ/f er slik at det generelle

produktforhold h f /h f er minst 1,4.

cc o o c '

Skjønt enkelte utførelseseksempler av oppfinnelsen er omtalt i detalj, vil fagfolk innse at visse trekk kan gjennom-føres uten andre og at modifikasjoner kan gjennomføres innenfor oppfinnelsens ramme slik denne er definert i kravene.

Claims (17)

1. Varmeoverføringsinnretning, karakterisert ved at den omfatter et métallrør med et innerflate-underlag

og ett enkelt sjikt av tilfeldig fordelte metallegemer, som hvert for seg er bundet til underlaget med innbyrdes avstand og i det vesentlige er omgitt av underlaget, slik at det dannes hulrom, hvorved rørets effektive, innvendige diameter og legeme-høyden har et slikt innbyrdes forhold at e/D, hvor e er den aritmetiske middelhøyden av nevnte legemer på underlaget og D er den effektive innvendige rørdiameter, er minst 0,006, og at hulrommet mellom legemene er mellom 10 og 90$ av det toale underlagsareal.

2. Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at hulrommet mellom legemene er mellom 30 og 80$ av det totale underlagsareal.

3» Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at e/D er mindre enn 0,02.

4. Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den effektive innvendige diameter er mellom 12,7 og 30,48 mm.

5. Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at et stort antall partikler som er bundet til hverandre danner de nevnte metallegemer.

6. Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at metallegemene omfatter en blanding av kobber som hovedkomponent og fosfor som en mindre komponent.

7« Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at metallegemene dannes av partikler, av.hvilke hoveddelen passerer gjennom en 60 mesh US standard sikt og holdes igjen på en 80 mesh US standard sikt.

8. Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at metallegemene dannes av partikler, av hvilke hoveddelen passerer gjennom en 30 mesh US standard sikt og holdes igjen på en 60 mesh US standard sikt.

9. Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at metallegemene omfatter en blanding av jern som hovedkomponent og fosfor og nikkel som mindre komponenter.

10. Varmeveksler med flere métallrør som i lengderetning forløper i flukt med hverandre og har innbyrdes avstand i tverr-retning og som i motstående ender er forbundet med væskeinnløps-og væskeutløpsmanifolder, og med en mantel som omgir rørene og som er utstyrt med organer for vasketilførsel og væskeutløp, og hvor hvert rør har et innvendig flateunderlag og et utvendig flateunderlag, karakterisert ved ett enkelt sjikt av tilfeldig fordelte metallegemer, som hvert for seg er bundet til nevnte innvendige flateunderlag i innbyrdes avstand og i det vesentlige er omgitt av nevnte innvendige flateunderlag, slik at det dannes hl il lrom, hvorved rørets effektive, innvendige diameter og metallegemehøyden står i et slikt innbyrdes forhold at forholdet e/D, hvor e er den aritmetiske middelhøyden av legemene på det innvendige flateunderlag og D er rørets effektive innvendige diameter, er minst 0,006 og at hulrommet er mellom 10 og 90$? av det to£bale innvendige f lat eunderlagar eal, og et fler-sjikt-belegg av stablede metallpartikler integrert sammenbundet og bundet til nevnte ytre flateunderlag for dannelse av innbyrdes forbundne porer av kapillarstørrelse med en ekvivalent poreradius mindre enn ca. 0,ll43 mm.

11. Varmeveksler som angitt i krav 10, karakterisert ved at hulrommet er mellom 30 og 80$ av innerflate-underlagets totale areal.

12. Varmeveksler som angitt i krav 10, karakterisert ved at e/D er mindre enn 0,020.

13. Fremgangsmåte for bedret varmeoverføring mellom et første fluidum med en første innløp s t emp era tur og et andre fluidum med en andre inniøp s t emp eratur som skiller seg vesentlig fra førstnevnte innløpstemperatur i en varmeveksler, hvor nevnte første fluidum sendes gjennom minst ett métallrør i et varme-vekslingsforhold med det andre fluidum utenfor røret, karakterisert ved følgende trinn: det tilveiebringes ett enkelt sjikt av tilfeldig fordelte metallegemer som hvert for seg er bundet til rørets innerflateunderlag i innbyrdes avstand og i det vesentlige er omgitt av underlaget for dannelse av hulrom mellom legemene, med rørets effektive innvendige diameter og legemehøyden i et slikt innbyrdes forhold at e/D, hvor e er den aritmetiske middelhøyde av nevnte legemer på underlaget og D er den effektive innvendige diameter av røret, er minst 0,006, og at hulrommet mellom legemene utgjør mellom 10 og 90$ av underlagets totale areal, og at første fluidum sendes gjennom røret under turbulente strømningsforhold i minst en del av røret, slik at det ekvivalente Reynolds tall i nevnte rørdel er minst 9* 000.

14. Fremgangsmåte for bedret varmeoverføring som angitt i krav 13, karakterisert ved at et fler-sjikt-belegg av stablede metallpartikler er integrert bundet sammen og til rørets utvendige flateunderlag for dannelse av gjensidig forbundne porer av kapillarstørrelse med en ekvivalent poreradius mindre enn 4,5 mils, hvorved første innløpstemperatur er høyere enn andre utgangstemperatur av nevnte andre fluidum som vesentlig er væske og varmes til kokepunkt og koker under varmevekslingen.

15» Fremgangsmåte som angitt i krav 13, karakterisert ved at første fluidum passerer gjennom røret utelukkende i væskefase i kontakt med den metallegemebelagte flate med et varmeoverførings-koeffisientforhold til et glatt rør h s /h o på minst 1,8 og at Fannings friksjonsfaktorforhold av et glatt rørs innerflate i forhold til nevnte metallegemebelagte flate f /f er slik at det generelle produktforhold h f /h f o' s to * s o' o s er minst 0,95»

16. Fremgangsmåte som angitt i krav 13» karakter i-s e rtt ved at første fluidum i det minste delvis kondenseres méns det passerer gjennom røret i kontakt med den metallegemebelagte flate med et varmeoverførings-koeffisientforhold til en glatt rørflate h c /h opå minst 2,5 og at Fannings friksjonsfaktorforhold for et glatt rørs innerflate overfor nevnte metallegemebelagte flate f o /f c er slik at det generelle produktforhold h c f o /h o f c er minst 1,'4.

17. Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at et fler-sjikt-belegg av stablede metallpartikler er integrert bundet sammen og til utvendig flateunderlag av nevnte métallrør for dannelse av innbyrdes forbundne porer av kapillarstørrelse med en ekvivalent poreradius mindre enn ca. 4,5 mils.