NO820103L - Varmeoverfoeringsanordning - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en varmeoverføringsanordning og særlig et varmeoverføringrør med forbedret overflate for dannelse av kokekimer.

Varmeoverføring fra en overflate til et fluid i kontakt med overflaten kan finne sted ved dannelse av kokekimer. Dette fenomen er velkjent og består i at det ved kokning dannes mange dampbobler på varmeoverføringsflaten ut .fra aktive punkter som er kjent som kimsentre, hvorpå boblene stiger til væskens overflate. Dette frembringer omrøring og øket varmeoverf ør ing. Det er også kjent at sådanne dampbobler lettere dannes ved uregelmessigheter på overflaten. For å oppnå høy varmeoverføringskoeffisient er det derfor vanlig at varmeoverf øringsf laten opprives for å danne så mange kimsentre som mulig. Det er tidligere foreslått forskjellige metoder for dannelse av kimsentre. US-patentskrift nr. 3.326.283 foreslår således rifling av et rør som allerede er forsynt med ribber. US-patentskrift 3.454.081 angir en fremgangsmåte for å øke antallet kimsentre, idet ribber dannet ved innsnitt deformeres ved en påfølgende rifleprosess for å frembringe delvis lukkede

. og innbyrdes forbundne hulrom under overflaten for oppfanging av damp således at dannelse av kimsentre for koking fremmes. US-patentskrift nr. 3.683. 556 foreslår en annen fremgangsmåte, som går ut på at antallet kimsentre økes ved delvis om-bøyning av ribbene på et ribberør for dannelse av hulrom. US-patentskrift nr. 3.893.233 beskriver rifling av et glatt

rør i et rutemønster og påfølgende innsnitt i det riflede rør for å danne små spalter av fastlagt utforming og dybde, og som vil utgjøre effektive kimsentre som fremmer kokning.

I henhold til oppfinnelsen er det funnet at forbedret varmeoverføring kan oppnås ved en fremgangsmåte av samme art som den som er angitt i ovenfor nevnte US-patentskrift nr. 3.326.283.-I henhold til dette tidligere patentskrift er kimsentrene dannet ved innsnitt- i ei rør"'~me<d>ribber på sådan måte at det dannes et regelmessig mønster av 5,5 til 13 tenner pr. omkrets-cm på hver ribbe.

I dette patentskrift påpekes spesielt at mindre enn 5,5 tenner pr. omkrets-cm gir. lav økning av varmeoverf øringen, mens en tetthet høyere enn 13 tenner pr. cm gir et uregel-messig mønster på grunn av innbyrdes forstyrrelse mellom rifleverktøyene, således at varmeoverføringen nedsettes.

I henhold til oppfinnelsen er det overraskende funnet at en økning av varmeoverføringen på 200 -.300%, sammenliknet med et glatt rør, kan oppnås ved å utføre en forbedret rifleprosess på et rør med ribber.

Varmeoverføringsanordningen i.henhold til oppfinnelsen omfatter en basis-vegg av varmeledende material, et antall innbyrdes adskilte finner som er utformet i basisveggens overflate med en tetthet på 12 - 16 ribber pr. cm, samt et antall innsnitt utformet i ribbenes ytterkant ved hjelp av et rutedannende rifleverktøy som frembringer to rekker av innbyrdes parallelle rifler i tetthetmrådets 16 - 32 rifler pr. cm., idet skjæringsvihlvélénVi-jmellom riflerekkene er 10 - 80°;.fortrinnsvis omkring 60°.

Basisveggen. i utgjøres fortrinnsvis av utsiden av et rør, og innsnittene utformes som et riflet rutemønster omkring utsiden av røret.

Ribbehøyden ligger fortrinnsvis i området 0,635 -1,0 mm, mens innsnittenes dybde er 0,305 - 0,5.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet ved hjelp av ut-førelse, --.eksempler og under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå : figur 1 viser et rør som først er forskynt med ribber i et første prosess-trinn for dannelse av en varmeoverførings-flate med kokekimer, fulgt av en rifling i rutemønster. Figur 2 viser en del av et forstørret lengdesnitt gjennom røret i figur 1, hvor både ribber og rifler er frembragt i henhold til oppfinnelsen. Figur 3 er en grafisk fremstilling av varmeoverføringen for en del rør utprøvet over et visst område av logaritmisk middelverdi for temperaturforskjellen.

Det skal nå henvises til figur 1 hvor det er vist et rør 10 hvorpå det er dannet ytre:.ribber 12. Disse ribber er fort-.. trinnsvis utført med en tetthet fra 12 - 16 ribber pr. cm (L.RP.C ) og har en høyde på omkring 0,8 mm. Dette rør ut-rettes så for en rifleprosess av den art som er kjente som rutemønsterrifling, hvor to rekker av innbyrdes parallelle rifler 14 og 16 i et tetthetsområde på 16 - 32 rifler pr. cm.

( RPC ) skjærer hverandre i en vinkel på ca. 60° og danner innsnitt i ribbene i.en dybde jpå 0,4 mm. Ved denne prosess dannes under overflaten et antall hulrom 18 med innsnevrede åpninger 20 til rørets utside, slik som vist i figur 2 på tegningene.

Varmeoverføringsprøver ble utført på 5 rør, som er gitt henvisningsbetegnelsene C - 0 til C - 4. Alle disse rør hadde glatte indre overflater. Røret C - 0 hadde også glatt ytter-flate. Røret C - 1 ble påført ribber med en tetthet på 12 RPC og riflet med en tetthet på 32 RPC. Røret C - 2 ble påført ribber med en tetthet på 16 RPC og riflet med en tetthet på 16 RPC. Røret C - 3 ble påført ribber med en tetthet på 16 RPC samt riflet med en tetthet på 32 RPC. Endelig ble røret C påført ribber med en tetthet på 12 RPC samt riflet med en tett-, het på 32 RPC.

Det apparat som ble anvendt for utførelse av prøvene var et apparat med kokende kjølemiddel R - 11, slik som omtalt i en artikkel av T. C. Carnavos med tittelen " An Experimental Study: Condensing R - 11 on Augmented Tubes", som ble frem-lagt på den nasjonale varmeoverførings-konferanse, ASME/AICHE

i Orlando, Florida, 27 - 30 juli, 1980. Dette apparat besto av et isolert rektangelformet hylster med et eneste kondensator-rør i den øvre del av hylsteret og et eneste kokerør for damp-utvikling i hylsterets nedre del. De utprøvede kokerør hadde en nominell diameter på 19,05 mm og var omtrent 1,32 m langt.

Varmt vann strømmet i lukket krets gjennom et kalibret 2 50 mm rotameter samt kokerøret, og ble ført tilbake til en spennings-regulert 9kW varmtvanns-bereder for gjennoppvarming. Kaldt vann strømmet i lukket krets gjennom kalibret 6 00 mm rotameter og kondensatorrøret, og ble ført tilbake til en forrådstank.

En pumpe tok ut vann fra tanken, førte det gjennom en varmeveksler og derpå tilbake til tanken. Vannledningsvann ble anvendt for å kjøle prøvevannet i denne varmeveksler. Temperatur-målingene ble utført ved hjelp av presisjonstermometeret med kvikksølvsøyle i glassrør med minstegraderinger tilsvarende 0,056°C, og med 76 mm nedsenkning. Alle termometere ble korrekt nedsenket og deres plasseringer ble byttet om i rekke-følge under dataoppsamlingen for derved å nedsette unøyaktig-heter ved måling av temperaturforskjeller ved bestemmelse av varmebalansen til et minimum. Et ./kvdJcksølvmanometer ble anvendt for å måle hylstertrykket og bestemme hylstertempera-turen.

Måledata ble opptatt under stabile forhold. Varmebalanse ble oppnådd mellom varmebelastingene på<y>annsiden av henholdsvis koke- og kondensatorrøret, og lå for det meste i området H—10%. Midlere dataverdier ble anvendt i denne analyse. Massefluxsen over rørsiden ble holdt konstant på 1540.kg/sec m for å gjøre direkte sammenlikninger av total varmeoverføringsevne menings.-full. Verdien 1540-kg/sec pr. m 2av nominelt fluxområde repre-senterer omtrent den nedre ende av det område som vanligvis brukes i kommersiell praksis. Større temperaturforskjeller førte i tillegg til nøyaktigere varmebalanse. Varmebelastning-ene . (koking) og Qc(kondensering) ble beregnet på følgende måte:

og Wcbetegner massestrøm i kg/h for henholdvis kokerør og kond ehseringsniiddel.

T P betegner spesifikk varme uttrykt.i kJ/Kg°C

<T>bi°^Tbokete9ner henholdsvis innløpstemperatur og utløps- temperatur for kokerøret. :i °C. ^ Tci°^Tcobetegner henholdsvis innløpstemperatur og utløps-témperatur for kondenseringsrøret i °C.

Varmefluxen Q ble beregnet ut fra ligningen :

hvor Q, og Q er definert ovenfor

An = nominelt varmeoverføringsflate i m beregnet på grunnlag av rørets nominelle ytterdiameter, uansett ytterflateøkningen. L = rørets lengde i meter.

Den logaritmiske middelverdi for temperaturforskjellen (LMTD) ble beregnet utifrå følgende formel:

hvor T, , T, . er definert som ovenfor og T, er kokebassengets

bo' biQ 3 b 3 temperatur i C.

Figur 3 " er en grafisk opptegning av varmefluxen for alle de utprøvede rør som funksjon av logaritmisk middelverdi for temperaturforskjellen ( LMTD ). Røret C 3 med et overflate-mønster tilsvarende 16 RPC/32 RPC oppvisteden høyeste totale varmeflux, nemlig 200 300?d over tilsvarende verdi for det glatte rør C - 2 'innenfor et bredt LMTD - område. Røret C - 3 oppviser en særlig god arbeidsfunksjon i den nedre del av LMTD-område, hvor drift av disse typer kokerør med forstørret overflate er mest vanlig. Rørene C - log C - 2 med overflatemønster tilsvarende henholdsvis 12 RPC 32 RPC og 16 RPC/16 RPC, oppviser en varmeflux som ligger noe under tilsvarende verdier for C - 3, særlig i det nedre LMTD - område, men også disse rør oppviser meget bedre arbeidsfuksjon enn det glatte rør C - 0. Røret C - 4 er et rør med ribber som er riflet med 12 RPC og oppviser omtrent samme antall kimesentre pr. flateenhet som de omtalte

rør i US-patentskrift nr. 3.326.283. Det vil bemerkes at verdi-

enefor dette rør C - 4 ligger meget lavere enn for rørene C -1, C - 2 og C - 3, som er utført i samsvar med foreliggende oppfinnelse, hvilket vil si riflet med 16 - 32 RPC. Av det som er angitt ovenfor vil det således innses at de vinninger som er oppnådd ved ribberør riflet ved 16 - 32 RPC er meget betydelige, ikke bare i forhold til et glatt rør, men også sammenlignet med de rør som er omtalt i det ovenfornevnnte US-patentskrift nr. 3.326.283.

Claims (1)

1. Krav 1. Varmeoverføringsanordning som omfatter en basisvegg av varmeledende material,

   karakterisert vedat et antall innbyrdes adskilte ribber er utformet i basisveggens overflate med en tetthet på 12 - 16 ribber pr. cm., mens et antall innsnitt er utformet i ytterkanten av ribbene ved hjelp av et rifleverktøy innrettet for å danne et rutemønster. av to rekker av innbyrdes parallelle rifler med en rifletetthet på 16 - 32 rifler pr. cm. og som skjærer hverandre i en vinkel på 10 - 80%.

   Krav 2. Varmeoverføringsanordning som angitt i krav 1,karakterisert vedat skjæringsvinkelen mellom de to rekker av parallelle rifler er omkring 60%.

   Krav 3. Varmeoverføringsanordning som angitt i krav 1,karakterisert vedat basisveggen er utsiden av et rør og nevnte innsnitt, er utformet som et riflet rutemønster omkring utsiden av røret.

   Krav 4. Varmeoverføringsanordning som angitt i krav 1-3,karakterisert vedat ribbehøyden ligger i området o,635 til 1,02 mm, mens dybden av innsnittene ligger i området 0,305 til 0,51 mm.