NO843793L - Varmeveksler med ultralave ribber. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse er rettet mot en apparatur og en fremgangsmåte for å øke varmeoverføringen i en varmeveksler.

Mere spesielt er oppfinnelsen rettet mot en anvendelse av ultralave ribber på rørledninger inne i skallet i varmeveksleren, hvilke ribber øker varmeoverføringen når de benyttes i nærvær av et to-fase kjølemiddel. Oppfinnelsen finner anvendelse i forskjellige varmevekslingsformål, men er spesielt an-vendelig for anvendelse i coil-oppvundede varmevekslere i naturgassflytendegjøringsanlegg.

Forbedret varmeveksling har vært et søkt mål for mange- indu-strielle prosesser. Varmeoverføringsforbedring er spesielt attraktiv når det gjelder flytendegjøring av naturgass.

Naturgass er en lavverdi brennstoffkilde som fremstilles som

et biprodukt fra de fleste oljefelts produksjonsarbeider. Flytendgjøring av naturgass er nødvendig for transport fra fjerntliggende produksjonssteder til områder med behov for slikt brennstoff. Flytendegjøring er en kostbar energiintensiv prosess. For å holde omkostningene ved flytendegjøring for en enhet av naturgass lav, blir naturgassgjenvinning og flytende-gjøring gjennomført kun når relativt høye produksjonsgrader for naturgass er tilgjengelige. Som et resultat har basis-belastning flytendegjøringsanlegg en tendens til å være meget store og de ledsagende coil-oppvundede varmevekslere i slike anlegg er blitt større, kun begrenset av størrelsesbegrensninger for transport fra produksjonsstedet til bruksstedet.

I denne type varmeveksleranvendelse såvel som andre varmeveksler-anvendelser, blir et kjølemiddel i flytende fase omfattende enten en ren forbindelse eller en blanding av forbindelser, fordampet inne i en varmeveksler inneholdende et skall og uten-for en serie rørledninger gjennom hvilke materialet (naturgassen) hvis temperatur skal redusres, føres. Temperaturforskjellen mellom ledningsveggen og kjølemiddel er vanligvis for liten til å understøtte koking, men kjølemiddeldamp fremstilles ved væske/dampgrenseflaten i den flytende film som dannes og strømmer over ledningene inne i skallet i varmeveksleren.

Denne varmeoverføringsprosess kalles konvektiv fordamping.

Forskjellige fagfolk har forsøkt å øke varmevekslingen mellom et fluid som passerer innvendig gjennom en rørledning og et fluid som passerer over den ytre overflate av en slik rørledning. I US-PS 3 217 799 beskrives det en fremgnagsmåte for å øke kondensasjonen av damp og den utvendige overflate av en rør-ledning der en ribbekonfigurasjon som vist i fig. 4 beskrives. Patentet er rettet mot et damp/vann-system for kondensasjon og ikke mot konvektiv fordamping.

I US-PS 3 384 154 beskrives et varmeveksler system hvori kondensasjon inntrer på en ytre med ribber utstyrt overflate av en varmevekslerleding som vist i fig. 6. En kjernedannende kokende overflate med porøs struktur dannes på den indre overflate av ledningen. En diskusjon av virkningene av overflatespenningen på en flytende film angis i kolonne 10, linje 46-61 og vises i fig. 5. Diskusjonen er begrenset til kondensasjon og ikke konvektiv fordamping.

I US-PS 3 455 376 beskrives en varmeveksler overflate med med ribber utstyrte overflater der fordampning inntrer langs overflaten med etterfølgende kondensasjon av dampen når den kommer i kontakt med en flytende fase som eksisterer utover fra ribbeoverflaten. Dette patent gjelder ikke direkte en rørlening med et fluid som skal få redusert temperatur ved gjennomløp.

US-PS 3 587 730 beskriver en varmeveksler med porøse sjikt bundet til veggene i varmeveksleren ved overflaten der det porøse sjikt omfatter ledende partikler bundet sammen for å danne porer av kapilærstørrelse på varmeveksleroverflaten.

Kravene er rettet mot en plate-ribbe varmevekslerstruktur med

en korrugert overflategeometri.

I US-PS 3 779 312 beskrives en varmevekslerledning med en spesifikk undulerende geometri på den innvendige overflate av ledningen. Systemet er ment for dampkondensasjon der et enkel-fasefluid føres i røret. Patentets lære skiller seg fra et tofasesystem som passerer over det ytre av en varmevekslerledning.

US-PS 4 118 944 beskriver bruken av integrale indre ribber i varmeveksler-røret hvori et kjølemiddel fordampes i røret mot den ribbede overflate derav. Det er ikke angitt noen dimensjons-konfigurasjon for denne spesielle struktur.

US-PS 4 211 276 beskriver en ribberørtype varmeveksler der en oppruing av ribbeoverflaten er ønsket for å øke avrenning av kondensat som dannes på ribbene under varmevekslingen. Igjen er dette patent rettet mot kondensasjon og ikke konvektiv fordamping. Ribbedimensjonen eller -geometrien er ikke angitt ut over angivelse av overflateoppruings kravet ifølge patentet.

US-PS 4 216 819 beskriver bruken av et enkelt sjikt av vilkårlig fordelte metall legemer bundet til et substrat for å tilveiebringe en øket varmevekslingsoverflate for kondensasjon. Overflatespennings karakteristika angis som et aktivt fenomen som bevirker forbedring av kondensasjonen ved bruk av de angitte overflater.

I US-PS 4 232 728 beskrives en kontruksjon for å øke enkeltfase-eller kondensasjonsvarme overførings koeffisientene på innsiden av rør ved å binde et sjikt av vilkårlig fordelte metall-legemer til den indre vegg. Kriterier gis for den relative høyde av disse legemer i forhold til rørets innvendige diameter og for hulromsfraksjonen av det bundne sjikt. Dette patent er ikke rettet mot problemet med konvektiv fordamping i et to-fase system. Reissue PS 30077 beskriver en varmeoverføringsoverflate for å øke kjernedanningskoking der overflaten spores opp ved mikro-skopisk tetthet og sporene deretter deformeres for å danne begrensede åpninger deri. De begrensede åpninger er nøkkelen til effektiviteten for varmeoverføringsoverflaten. Læren om denne geometri for bruk i kjernedanningskoking er ulik foreliggende oppfinnelses interesse for konvektiv fordamping.

Forskjellig litteraturartikler er rettet mot en forståelse av

de fysikalske dynamiske parametre for væske og en ribbet overflate. Eksempler på en slik beskrivelse er artikkelen "Analysis of Nusselt-Type Condensation on a Vertical Fluted Surface", C.B. Panchal og K.J. Bell, "NUMERICAL HEAT TRANSFER" vol. 3, sidene 357-371, 1980. Slike studier er igjen rettet mot kondensasjon og ikke konvektiv fordamping.

Foreliggende oppfinnelse overvinner begrensningene ved den kjente varmevekslingsteknologi ved å tilveiebringe en ultralav ribbegeometri som kontrolleres av forskjellige geometriske dimensjoner, såvel som fysikalske egenskaper for kjølemidlet som benyttes i varmeveksleren. Anvendelsen av disse dimensjoner og egenskaper i et unikt forhold gir en ribbegeometri med uventet stor varmeoverføringsøkning. Bruken av en slik varmeoverf øringsøkning tillater reduksjon av størrelsen av varmevekslerne eller en bibeholdt varmeveksler størrelse med øket varmevekslingskapasitet. Et slikt resultat er fordelaktig for varmeveksling generelt, er imidlertid spesielt fordelaktig for den spesifikke anvendelse av en basisbelastningsnaturgass flytendegjøring der varmevekslerne idag har noe nær maksimal størrelse og der økonomien ville antyde at sogar større varmevekslere kunne være ønskelig. Foreliggende oppfinnelse til-veiebringer øket varmevekslingskapasitet for relativt mindre varmevekslerstørrelse.

Oppfinnelsen er rettet mot en varmeveksler med minst en rørformet ledning for føring av et fluid hvorfra varme skal fjernes gjennom en slik varmeveksler der et skall som omgir ledningen definerer et kjølemiddelrom mellom skallet og rørledningen. Rørledningen innrettes slik at tofasekjølemiddel kan føres over ledningen. Ledningen inkluderer ultralave ribber festet utover fra den ytre overflate av rørledningen der ribbehøyden H, ribbetoppbredden w, og ribbegapbredden W velges i forhold til densiteten og overflatespenningen for kjølemidlet slik at:

Foreliggende oppfinnelse er spesielt rettet mot en varmeveksler med et antall viklingsoppvundne rørledninger slik at et tofase kjølemiddel kan passere i det vesentlige loddrett på aksen av kjølemidlene hvori de ultralave ribber er festet radialt på tvers eller i spiral utover fra den ytre overflate av rørledning-ene. En slik varmeveksler er spesielt egnet for kjøling og flytendegjøring av naturgass når naturgass passerer gjennom det indre av de med ribber utstyrte rørledninger.

Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte for varmeveksling av

et fluid i en varmeveksler som har minst en rørledning for et slikt fluid og et skall som omgir rørledningen som definerer et rom for et tofasekjølemiddel. Kjølemidlet passerer over den ytre overflate av rørledningen for å fjerne varme fra fluidet som passerer gjennom den. Et øket varmeoverføringsnivå oppnås under denne prosess for varmeveksling ved å føre kjølemidlet over de ultralave ribber festet på rørledningens ytre overflate der ribbehøyden H, ribbetoppbredden w og ribbegapbredden W velges i forhold til densiteten og overflatspenningen for kjøle-midlet slik at

Fremgangsmåten er mere spesielt rettet mot en metode der kjøle-midlet passerer over den ytre overflate av rørledningen i en retning generelt loddrett på rørledningenes akse og der kjøle-midlet passerer over ultralave ribber som er festet radielt på tvers eller i spiralform til den ytre overflate av rørled-ningene .

Oppfinnelsen er mere spesielt rettet mot en fremgangsmåte for flytendegjøring av naturgass i en metode som beskrevet nedenfor.

Oppfinnelsen vil forstås bedre under henvisning til de ledsagende tegninger der;

Fig. 1 er et riss av tverrsnittet av en ribbeoverflate som

viser ribbeparametrene for oppfinnelsen;

Fig. 2 er et diagram av forbedringsfaktorer ved konstant varmestrøm for radialet (F12) og longitudinalet (F17) ribber på varmeveksleroverflaten; Fig. 3 er et diagram for forbedrende faktorer ved konstant temperaturforskjell for en valset ribbeflate; Fig. 4 er et diagram for to-fasetrykktap for valsede ribberør og for bare rør; Fig. 5a er en skjematisk illustrasjon av et eksperimentelt prøveutstyr til anvendelse ifølge oppfinnelsen; Fig. 5b er en perspektivskisse av cellen for prøveutstyret ifølge oppfinnelsen; Fig. 6 omfatter to tverrsnittsriss av et mikrofotografi av en forsøksprøve F12. Mikrofotografi a er forstørret 2 6 ganger og b 120 ganger; Fig. 7 er to mikrofotografi tverrsnittsbilder av den eksperimentelle prøve F17. Mikrofotografi a er forstørret 4 0 ganger og b 120 ganger;

Fig. 8 er to mikrofotografitverrsnitt av den eksperimentelle prøve R2. Mikrofotografi a er forstørret 20 ganger og b 60 ganger.

Oppfinnelsen er en forbedret anordning for å avkjøle eller kondensere fluider som strømmer inne i rør i en varmeveksler der forbedringen omfatter ultralave ribber festet mer eller mindre radialt utover fra den ytre overflate av rørene.

Varmen som fjernes fra fluidene overføres til et flytende kjølemiddel som strømmer på tvers og fordamper påde ultralavribbede rør. Graden av forbedring til kappeside varmeoverfør-ingen er bemerkbar og uventet og overskrider sogar den maksimale forbedring som skulle kunne forventes basert på økningen i skallside varmeoverføringsarealet. Fordi ribbene er meget små forblir den forbedrede varmeoverføring oppnådd med liten eller ingen økning av skallside trykktapet pr. lengdeenhet langs aksen av skallet.

De ultralavribbede rør adskiller seg fra rør som har vært fore-slått i den kjente teknikk som effektive for fordamping av væsker ved den meget lave ribbehøyde og relativt høye ribbe-densitet (antall ribber pr. lengdeenhet). De relativt små dimensjoner for ribbene forårsaker at overflatespenningskrefter blir relativt store i forhold til viskøse krefter og tyngdekraften i væskefilmene på de fuktede ribberør. Overflatespenningen sikrer at ekstremt tynne væskefilmer opprettholdes på siden av ribbene, spesielt nær ribbetoppene, noe som resulterer i meget høye lokale varmeoverføringskoeffisienter i dette området.

De mest effektive ribber er anordnet omtrent radialt på tvers

av røret og kan være integralt tildannet fra rørbasismetallet eller være festet med andre metoder slik som lodding, sveising eller spenningsvikling. Ribber prøvet og funnet effektiv i forskjellig grad hadde trasepoid, rektangulær eller i det vesentlige triangulært tverrsnitt. Andre beslektede ribbeform-er er ventet å være tilsvarende effektive. Ribbene kan ha flater både på ribbetoppene eller mellom ribbene ved ribberot diameteren, idet disse flater er mer eller mindre parallelle med rørets akse. Ribbetoppene og dalbunnene mellom ribbene kan også være avrundet istedet for flate. Ribbene kan være

fremstilt ved bruk av et antall teknikker som er utviklet og som er tilgjengelige i teknikken for fremstilling av konvensjo-nelle ribberør. For hensiktsmessighetens skyld er vanligvis slike ribber anordnet.i skruekant rundt røret og kan bestå av ett eller flere separate skrueformede elementer. Ribbedimensjonene er funnet å være viktige ved gjennomføring av oppfinnelsen er ribbehøyden H, den effektive bredde for ribbetoppene w og bredden av gapet mellom siden av hverandre liggende ribbetopper W. Slik det skal vises nedenfor krever gjennomføring av oppfinnelsen at de fysikalske egenskaper for kjølemidlet tas i betraktning når man gir disse ribbeparametre numeriske verdier.

For omtrent radielt tverranordnede ribber finnes en bemerkelsesverdig og uventet forbedring av skallsidevarmeoverføringen for nedstrømsfordampning (tofasestrøm). Forbedringen kan være flere ganger større enn det som skulle kunne forventes på basis av økningen av overflatearealet alene. Under de samme betingelser ble langsgående anordnede ribber funnet å være mindre effektive enn radielt tverranordnede slike, men var ikke desto mindre fremdeles betydelig mere effektive enn de kjente nakne rør. For å sikre enhetlig skallside tofasestrømfordeling må aksen for den coil-oppvundne varmeveksler være vertikal. Rørene er skrueformet viklet i sjikt fra en ende av veksleren til den andre. Oppviklingsvinkelen er liten slik at rørene kan ansees å være

i det vesentlige horisontale. Den dårligere ytelse for langsgående ribbede rør skyldes sannsynligvis de dårlige karakteristika for tilmatning og drenering av flytende filmer når rørene er horisontale eller nær horisontale. De langsgående ribber kan ha en dendens til å forårsake oversvømming i dalene mellom ribbene på den øvre del av rørene, noe som fører til mindre effektiv varmeveksling der, og på den samme tid, hindre tilmatning av væske til den nedre del av rørene, noe som fører til dårligere varmeoverføring der også. Radielt tverrgående eller skrueformet anordnede ribber letter drenering av overskytende

væske rundt rørene og fører til meget bedre varmeoverførings-ytelser. Skrueformet ribbede rør er sannsynligvis mest for parktisk bruk. Skrueformede ribber som nærmer seg radielt tverrgående ribber er foretrukket.

Tofase trykktap målinger på bunter av de foreslåtte ultralavribbede rør antyder at den store forbedring i varmeoverføringen kan gjennomføres uten at dette går ut over trykktapet pr. lengdeenhet bunt. Dette fordi ribbene er små og hovedkomponenten i trykktapet for strømning på tvers av buntene skyldes formmotstand og ikke friksjonsmotstand. Formmotstanden er en motstand mot strømning rundt en butt gjenstand og er tilstede uansett om røret er ribbet eller nakent. Videre tillater den forbedrede varmeoverf øring kortere bunter for en gitt varmemengde, med en derav følgende reduksjon i det totale skallside trykktap over bunten. Dette kan resultere i betydelige besparelse både hva angår kapi-tal og driftsomkostninger for kjølekompressorene.

De geometriske parametre og de operative grenser for ultra lavribbede rør skal beskrives nedenfor.

Fig. 1 viser den ytre ribbede del av et lengdetverrsnitt som inneholder aksen av et rør med i skrueform anordnede ultralave ribber av trapesoid form. Overflaten som er vist skjematisk i fig. 1 er den til en virkelig rørprøve (nedenfor kalt prøve R2), fremstilt og prøvet av foreliggende oppfinnere. Den ble fremstilt ved hjelp av en trehjuls valsehode dyse som formet de tre konti-nuerlige ved siden av hverandre liggende skrueformede ribber med liten viklingsvinkel rundt røret på 3,5°. Også vist i fig. 1 er de geometriske parametre for ribbene (som har samme gyldighetfor ribber med rektangulær, triangulær eller andre beslektede former) og den omtrentlige form eller profil for kjølemiddel-væske/dampmenisken på ribbene. Selvfølgelig er den virkelige profil for menisken konstant fluktuerende p.g.a. den tidsvarier-ende art av tofasestrømmen og virkningen av væskedråper som faller fra røret over og dråper som avsettes på røret eller skiller seg fra røret p.g.a. dam<p>fasen av kjølemidlet, som beveger seg gjennom varmeveksleren med høyere hastighet enn den flytende fase. I forbindelse med den nedenfor angitte analyse vil imidlertid meniskusprofilen som vist i fig. 1 tjene som rimelig gjennomsnitt.

Numenklaturen nedenfor beskriver de geometriske parametre for ribbene og andre parametre av viktighet ved gjennomføring av oppfinnelsen:

b = ribbebredde ved ribberot diameteren

B = bredden av flaten eller gapet ved ribberot diameteren

Dq = rørets ytre diameter

FD = ribbedensiteten eller antall ribber/lengdeenhet, målt ved den rørytre diameter Dq langs en retning loddrett på ribberetningen. For radielt tverrstilt anordnede ribber og for skrueformet anordnede ribber med liten oppviklingsvinkel på røret, måles FD i en retning parallelt med røraksen;

for i lengderetningen anordnede ribber måles etter i rør-omkretsretningen.

2

g = tyngdens aksellerasjon, 23,17 fot/sek.

g^ c = Newtons omdanning isfaktor, l32 i ,17 fot-lb m /lb^f-sek.<2>

H = ribbehøyden

w = effektiv bredde av ribbetoppen ved rørytre diameter Dq W = bredden av gapet mellom ved siden av hverandre liggende

ribbetopper ved den rørytre diameter Dq

a = basisvinkelen for ribbetverrsnittet; for rektangulære

ribber er ct= 90°

6 = skrueribbeinklinasjonen rundt røret. For virkelig radielt tverrstilte ribber er 3 = 0°; for langsgående ribber er

= 90°.

pT ■Li = densiteten for kjølemiddelvæskefasen, f. eks. lb m /fott3

p = densiteten for kjølemiddeldampfasen, f.eks. lb /fot a = overflatespenningen for kjølemiddelvæske, f. eks. lbf/fot eller dyn/cm.

Driftsgrensene som er relevante er de som har forbindelse med ribbene selv. Ribbedimensjonene H, W og w som angitt ovenfor er viktige. Hvis ribbehøyden H er for høy møter man følgende problem, selv om ikke nødvendigvis ved samme ribbehøyde: varmeledningsveien langs ribben forlenges og ribbeeffek tiviteten synker i en slik grad at effektiviteten for det med ribber utstyrte rør reduseres.

Trykktapet over det med finner utstyrte rør synker p.g.a.

øket bidrag av friksjonsmotstand sammenlignet med formmotstand.

Overflatespenningsmekanismen som er grunnen til den uventede store varmeoverføringsøkning under tofase nedadstrøm fordampningsbetingelser, vil ikke være effektiv hvis ribbehøyden var for stor. I dette tilfelle vil en filmfortynnende virkning av overflatespenningen relegeres til et ubetydelig lite område nær ribbetoppen istedet for å virke mer eller mindre enhetlig over meget av ribbehøyden.

Gjør man ribbehøyden for liten oppstår det også problemer:

under to-fasebetingelser vil rommet mellom ribbene over- svømmes helt med væske og effektiviteten for den med ribber utstyrte overflate forringes. - for enkeltfasebetingelser, vil når ribbehøyden reduseres mens man holder en konstant rørutvendig diameter og en konstant strømningshastighet, ribbene eventuelt bli sammen-lignbare i størrelse med tykkelsen for det termiske grense-sjikt på røret. Når ribbehøyden reduseres ytterligere vil grensesjiktene totalt fange opp ribbene og den termiske ytelse for de med ribber utstyrte rør nærmer seg den til nakne rør og gir ingen fordel ved varmeoverføring.

Hvis på tilsvarende måte gapet W mellom ribbetoppene er for stort

oppstår følgende vanskeligheter:

- Når W økes reduseres størrelsesordenen for overflatespenningen som trekker overskytende kjølemiddelvæske fra sidene av ribbene inn i dalene, noe som fører til mindre effektiv varmeoverføring. - En økning av W er videre ekvivalent med å bevege ribbene lenger fra hverandre, noe som reduserer varmeoverførings-arealet pr. rørlengdeenhet.

Hvis W gjøres for liten vil for mye av rommet mellom ribbene være fylt med langsomt avrennende væske, noe som igjen reduserer effektiviteten ved varmeoverføringsprosessen.

Hvis bredden av ribbetoppen w er for stor, opptrer følgende ugunstige virkninger: Når W økes reduseres størrelsesordenen av overflatespenn ingen som skyver overskytende kjølevæske fra toppene til sidene av ribbene, noe som fører til mindre effektiv varmeoverf øring .

Videre fører en økning av w til en reduksjon av overflatearealet pr. rørlengdeenhet.

Hvis toppbredden w også gjøres for liten vil den filmfortynnende virkning i umiddelbar nærhet av toppområdet bli stor men de smale spisser av ribbene vil oppvise for mye motstand mot ledning av varme til ribbespissene, noe som fører til en reduksjon av varmeoverf øringsef f ektiviteten etterhvert som w ytterligere synker. Det skal bemerkes at mens triangelformede ribber i prinsippet har en ribbetopp w lik null er det i praksis alltid en endelig toppbredde p.g.a. begrensningene av ribbefremstillingsarbeidet (maskinering, valseforming, ekstrudering o.s.v.).

Det fremgår av det ovenfor anførte at for vellykket gjennom-føring av oppfinnelsen må øvre og nedre begrensninger settes for H, W og w. Slik det vises nedenfor må disse grenser også

ta i betraktning de fysikalske egneskaper a, pT og p.7for kjøle-midlet.

Det er velkjent at ribbe-effektiviteten synker med en økning i ribbehøyden eller varmeoverføringskoeffisienten, og reduseres med en økning in ribbens termiske konduktivitet. Ribbene bør være fremstilt med et metall med høy termisk konduktivitet slik at ribbeeffektiviteten forblir høy selv for høye varmeoverføringskoef f isienter oppnådd ifølge oppfinnelsen. Foretrukne metal-ler for ribbene er kobber, messing, aluminium eller aluminium-legeringer.

Det antas at kjølemiddelvæsken fukter det med finner utstyrte rør godt (kontaktvinkelen mellom væske og metall er liten) og har en viskositet lav nok slik at viskositetskreftene i den flytende film kan ansees neglisjerbar sammenlignet med overflatespenningen. Vanlige kjølemidler, lavmolekylvekts hydrokarboner, kryogene væsker og mange andre væsker tilfredsstiller disse krav.

Definisjon av varmeoverføringsforbedrende faktorer.

Varmeoverførings koeffisientene som kommer i betraktning for med ribber utstyrte overflater i eksemplene som ble prøvet under to-fasebetingelser kalles effektive koeffisienter fordi, i alle tilfeller, koeffisientene ble koblet sammen med overflatearealet for et nakent rør med samme utvendige diameter Dq som den med ribber utstyrte overflate. Den forbedrende faktor for et ribbet rør er definert som forholdet mellom den effektive varmeoverføringskoef f isient for et ribbet rør og varmeoverføringskoeffisient-en for et nakent rør. De to prøver som ble undersøkt hadde alle i det vesentlige samme utvendige diameter.

De følgende definisjoner fastslås:

hr; = effektiv varmeoverføringskoeffisient for ribbede rør henført til det utvendige overflateareal av et nakent rør med samme ytre diameter, Dq, som det ribbede rør .- h^= varmeoverf øringskoef f isient for nakent rør henført til det utvendige overflateareal for det nakne rør.

e = den varmeoverføringsforbedrende faktor ved konstant varmestrøm = h^/h^, idet begge koeffisienter bedømmes ved samme varmestrøm

e^T= den varmeoverføringsforbedrende faktor ved konstant vegg-til-fluid temperaturforskjell = h^/h^, idet begge koeffisienter bedømmes ved samme temperaturdifferanse.

Ved definisjon står varme fluss q i følgende forhold til h:

Herav følger at e^og e T er gitt ved

Videre,

Aq = utvendig overflateareal pr. lengdeenhet av ribbet rør,

f. eks. in^/in

(A )

onaken= utvendig overflateareal pr.lengdeenhet av nakent rør med samme ytre diameter som det ribbede rør, f. eks. m /in

= UD

o

Konvensjonell praksis i andre varme overføringsprosesser slik som kondensasjon, benyttet ribber som var meget større enn de ifølge oppfinnelsen, og det ble antatt at væskefilmer i det vesentlige ville oppsluke ribbene og føre til dårlig varmeoverføringsytelse. På det beste foreslo konvensjonell praksis at varmeoverføringsytelsen ville værekarakterisert ved

og at forbedringsfaktoren kunne være lik arealforholdet Aq/(Aq) nakenkun hvis hele overflatearealet var effektivt og hvis ribberør varmeoverføringskoeffisienten basert på det virkelige ribberør areal (Aq) ikke ble redusert i størrelsesorden p.g.a. nærvær-et av ribbene, slik det enkelte ganger skjer for enkeltfasestrøm. Imidlertid førte forsøksprogrammet ifølge oppfinnelsen til den uventede erkjennelse av ribbeparametrene kunne velges til å gi

Graden av forbedring som ble målt var bemerkelsesverdig og likeledes uventet.

Kriterier for overflatespenningsøket varmeoverføring på ultra-lavribberør.

Det ble nevnt ovenfor at de fysikalske egenskaper a, pT Li og ptvT

for kjølemidlet må tas med i betraktning ved gjennomføring av oppfinnelsen. Det skal nu vises at disse fysikalske egenskaper er tatt med i betraktning. Man betrakter kjølemiddel væske/damp menisken som vises i fig. 1.

Forskjellen i trykk mellom en væske og en damp på et hvilket som helst punkt på en kurvet væske/damp grenseflate er gitt ved Laplace ligningen:

Hovedradiene for krummingen R., og R2er definert å være positive i dampfasen og ligger i et hvilket som helst av to gjensidig loddrette plan hvis skjæringslinje definerer normalen på det angjeldende punkt på grenseflaten. Hvis hver krummingsradius ligger innenfor væsken blir fortegnet negativt. Ved å anvende ligning 6 på problemet antas det at krummingseffekter i en retning loddrett på figur 1 kan neglisjeres, d.v.s. i retningen parallelt med ribbeorienteringen. I h.h. til dette kan en av de to radier settes lik uendelig, noe som gir der R nu er den lokale radius for krummingen av væske/dampfasen i et plan loddrett på ribberetningen. Damptrykket P er konstant og er lik massetrykket for to-fasestrømmen som strømmer forbi det ultralavribbede rør. Derfor gir ligning 7 den lokale varia-sjon av trykket innen væskefilmen fra dampfase- eller massetrykket. På toppen av ribbene er R negativ (konveks væskefilm) og ligning 7 antyder at PT J-i er større enn PTv7.På det laveste punkt på menisken i bunnen mellom ribbene er R positiv (konkav væskefilm) og PL er mindre enn Py. Den resulterende trykkgradient i væskefilmen forårsaker meget hurtig avrenning av tilstedeværende væsker som treffer ribbetoppene til bunnene mellom ribbene.

Størrelsesordenen av trykkgradienten i væskefilmen kan bedømmes

ut fra ribbe r parametrene. Hvis R c og R v er de karakteristiske krummingsradier for væskefilmen ved ribbetopp- h.h.v. ribbebunn, kan disse radier representeres ved

og ligning 7, anvendt på ribbetopp og -bunn gir følgende forhold for trykkdifferansen i væskefilmen mellom ribbetopp og -bunn: P.g.a. at denne trykkdifferanse virker over en avstand omtrent lik ribbehøyden H er overflatespenning indusert trykkgradient i væskefilmen gitt ved

Det er vist at disse overflatespenningsinduserte trykkgradienter kan være meget større enn tyngde- og skjær(trykkfall) krefter. De resulterende meget tynne filmer av væske på siden av den øvre del av ribben resulterer i ekstremt høye varmeoverføringskoeffi-sienter fordi den lokale varmeoverførings koeffisient vanligvis antas å være omvendt proporsjonal med den lokale tykkelse av væskefilmen. Massen av væsken vil renne ned i dalene mellom ribbene og gi lavere varmeoverføringskoeffisienter i dalene enn nærmere ribbetoppene. Imidlertid kan nettoeffekten være en økning av varmeoverføringen som er meget større enn den som var forventet basert på økningen av overflateareal i forhold til det nakne rør:

Basert på det ovenfor angitte er det forventet at den mest effektive ribbegeometri ville være den for hvilken det i overflatespennings induserte trykkgradienter i væskefilmene er større enn netto tyngekraft trykkgradienten i væskefilmene, d.v.s. Denominatoren i ligning 12 blir kun bestemt ut fra væske- og dampdensiteter og den lokale tyngdens aksellerasjon, og gies av

Ved å benytte ligningene 11 og 13 blir kriteriet ligning 12 som følger:

For ultra lavribbede overflater og kjølemidler som tilfredsstiller ligning 14 vil overflatespenningsøkning opptre på alle punkter på omkretsen av røret fordi væskefilmen kan være for-tynnet selv i motsetning til tyngdekraftens påvirkning. Ved bunnen av et horisontalt eller nær horisontalt rør dreneringen f. eks. sannsynligvis skje fra ribbetoppene men tynne filmer av væske kan fremdeles trekkes mot tyngdekraften opp sidene av ribbene og gi høy varmeoverføringskoeffisient.

Tabell 1 angir parametrene for fire ribberør som er prøvet på nedløpsfordamping av R-11 kjølemiddel, sammensatt av et halogen-ert hydrokarbon, under betingelser som angitt i det følgende eksempel.

Eksempel.

Ultra lavribbede rør såvel som nakne rør ble prøvet i in-line rørbunner i en apparatur som angitt i fig. 5A og B. Dampkvali-teten (vektandel damp) av det strømmende kjølemiddel ble vari-ert fra 0 (bare væske) til 0,9. Damp ble tilført til rørene ved hjelp av en elektrisk varmer og temperaturforskjellen mellom en kjent radial posisjon i rørveggen og fluidet ble målt direkte og nøyaktig ved bruk av en termopile-krets. De instrumenterte rør kunne dreies rundt sin akse innen rørbunten. Dette tillot at vegg-til-fluid temperaturforskjellen kunne tas som et gjennomsnitt på mange punkter rundt røromkretsen. En korreksjon ble gjennomført for veggtemperaturfallet for å oppnå midlere over-flatetemperatur og gjennomsnitlig varmeoverførings koeffisient for overflaten ble beregnet ut fra den kjente varmefluks q og den måte temperaturforskjell mellom overflaten og fluidet. Som vist i fig. 5b blir rørbunten 10 montert i en hul celle 16 slik at en serie halv- og heldiameter dummy rør 12 og 14 omga prøve-røret 18 for å plassere røret i en nøyaktig kjølemiddelstrøm omgivelse. Dampfasekjølemiddel kom inn på toppen av cellen 16 gjennom et innløp 20 og væskefase kjølemiddel kom inn i cellen 16 gjennom en fordeler 22. De to faser ble blandet i et plenum 24 og beveget seg nedover rundt de forskjellige rør og trådte ut gjennom et bunnutløp 28.

Kjølemidlet ble så tilbakeført for strøm gjennom cellen 16 i apparaturen som vist i fig. 5a. Cellen 16 er vist med damp- og væskeinnløp 20 og 22. Det utsluppede tofasekjølemiddel fra ut-løpet 28 føres til en separasjonsbeholder 30 hvori all dampfase fjernes for rekondensering mot kjølevann i varmeveksleren 32. Vann sirkulerer gjennom ledningene 34 og 36.

Kjølemiddelbæske fra bunnen av beholderen 30 passerer til en oppvarmet omkoker 38 der dampenregenereres og føres gjennom rør-ledning 10 og strømningsmåleren 42. Væske sirkuleres via rør-ledning 44 og pumpen 46 gjennom en andre strømningsmåler 48. På denne måte oppnår man en nøyaktig eksperimentell omgivelse for å prøve forskjellige prøver av ultralavribbede rør for forbedret varmeoverføring. Figurene 6 - 8 er skanderende elektronmikroskopfotografier, SEM fotografier, av ribbene på de prøvede rør. Hvert fotografi er orientert slik at metallveggen for det ultralavribbede rør be-finner seg ved bunnen av fotografiet. Fig. 6 viser to mikrofotografier av et tverrsnitt viss plan inneholder aksen av prøven F12, idet prøven har en enkel skrueformet anordnet ultralav ribbe, hvilken ribbe er generelt trapesoid, men nær triangulær. Fig. 6A viser ribben i 26 gangers for-størrelse og fig. 6B den samme ribbe ved 120 gangers forstørrelse. Fig. 7 viser to mikrofotografier av et tverrsnitt viss plan går loddrett på aksen av prøven F17, idet prøven har 100 i lengde-retning anordnede ultralave ribber på omkretsen av prøven, ribber som generelt er trapesoide men nær triangulær i tverrsnitt. Fig. 7A viser ribbene i 40 gangers forstørrelse mens fig. 7B viser ribbene ved 120 gangers forstørrelse. Fig. 8 viser to mikrofotografier av et tverrsnitt hvis plan inneholder aksen av prøve R2 idet prøven har tre ved siden av hverandre anordnede skrueformet anbragte ultralave ribber idet disse generelt er trapesoide i tverrsnitt. Fig. 8A viser ribbene ved 20 gangers forstørrelse, fig. 8B de samme ved 60 gangers forstørr-else. Fig. 2 viser den målte forbedringsfaktor e q for konstant varme-strøm for ribbeflater F12 og F17 som utgjør eksmepler på oppfinnelsen. Begge disse flater har ribber av omtrent lik form og dimensjon. Selv om den langsgående ribbeprøve F17 hadde nær 17% mer overflateareal enn den omtrent radiale ribbeprøve F12 ga F12 klart overlegen ytelse og viser den uventede forbedringsgrad som er hovedtrekket ved oppfinnelsen, således har prøven F12 På den annen side har prøven F17 med langsgående ribber Figur 2 viser også at prøvens F12 uventede forbedringsgrad fort-setter å foreligge ennu ved kvaliteter helt opp til 0,9, noe som antyder at overflatespenningen sannsynligvis er meget stor sammenlignet med dampskjær virkningene. Dette vises nedenfor for prøve R2. Fig. 3 viser den målte forbedringsfaktor E^T for konstant tempera-turfoskjell for valseribbeprøven R2. Over et vidt område betingelser hadde denne overflate forbedringsfaktorer som var uventet større enn A /(A ) .. Dette arealforhold var 2,45 for prøven

o o nakenc

R2. Verdier for eAThelt opp til 7,1 ble målt for AT = 0,3 F. Dette er så å si 200% mer enn den maksimale forbedring som konvensjonell praksis skulle gi grunn til å anta, nemlig

Det er signifikant å bemerke fra fig. 3 at, for dampkvaliteter mindre enn 0,9, øker forbedringsfaktoren etter hvert som overflate-til-masse temperaturdifferansen reduseres. Dette gjør oppfinnelsen spesielt attraktiv for kryogene varemoverføringsanvendelser som arbeider generelt ved små temperaturforskjeller.

Overflatespenningsindusert trykkgradient innen væskefilmen bereg-nes nedenfor for prøven R2 og sammenlignes med netto tyngdekraft-og tofase strømningstrykkgradientene. ,Ved å ta opp ligning 11

har man

der, for prøven R2 og kjølemidlet R11 ved 76°C, man har Dette er en meget respektabel trykkgradient og er således meget større enn trykkgradienter som vanligvis benyttes ved konstruk-sjon av væske-strøm ledninger. Nettopp tyngdekrafts trykkgradient i forbindelse med en kolonne av R-11 væske kan vises å være liten sammenlignet med denne overflatespennings induserte trykkgradient. Ved 76°F finnes denne netto tyngdekrafts gradient fra ligning 13 å være

Dette er ca. 28 ganger mindre enn den overflatespenningsinduserte trykkgradient.

Det kan likeledes vises at trykkgradienten for tofasestrøm gjennom en bunt av de valsede ribberør også er liten sammenlignet med overflatespennings indusert trykkgradient. Tofase nedløps-trykkfallsdata for en bunt ribberør identiske med prøve R2 er vist i fig. 4. Det største trykkfall som måles for G = 40000 lb /hr-ft 2 var 0,213 tommer vann pr. rør rekke. Gitt en bunn

m

langsgående pitch forhold på 1,189 og en utvendig rørdiameter på 0,3930 tommer, kan man beregne den følgende representative trykkgradient for valset ribbebunt:

Bemerkelsesverdig er dette ca. 90 ganger mindre enn den overflatespennings induserte trykkgradient. Hvis det erkjennes at meste-parten av tofasetrykk fallet sannsynligvis har forbindelse med formmotstand, motstand p.g.a. strømning rundt en butt gjenstand og er tilstede uansett om røret har ribber eller ikke, kan den virkelige trykkgradient som skyldes dampskjærkrefter være mindre enn den voerflatespennings induserte trykkgradient med en faktor på langt over 90.

Fig. 4 er et diagram som viser trykkfallsdata for nedløps to-fasestrøm av kjølemiddel 11 over en naken rørbunn og en bunt valsede ribberør identisk med de ultralavribbede prøve R2.

Disse data viser at den meget vesentlige varmeoverføringsforbed-ring ifølge oppfinnelsen kan oppnås uten vesentlig ugunstig inn-virkning på trykkfall pr. enhetslengde av bunten. For en gitt varmeoverføringsytelse vil videre den økede varmeoverføring til-late kortere buntlengder, med en derav følgende vesentlig reduksjon i det totale trykkfall over bunten.

TAbell 2 oppsummerer forskjellige beregnede parametre for de

fire ribbede rør i eksemplene som ble prøvet, såvel som den målte varmeoverførings forbedringsfaktor for disse-overflater. Skrue-ribbeprøvene F12, RF2 og R2 viste alle uventet store forbedringsfaktorer. I praksis kan ribbene på disse tre prøver ansees å være nær samme radialtverrgående ribber p.g.a. deres lille skrue-viklings vinkel For prøven RF2 var den grad med hvilken for-bedringsf aktoren overskred A o /(A o ) nak, en liten, men ikke desto mindre signifikant. Kobberribbene på denne prøve ble holdt fast mot aluminiumsrøret kun ved spenning slik at en viss kontakt motstand utvilsomt var tilstede. Det er sannsynlig at ytelsen for prøven RF2 kunne vært klart forbedret ved å eliminere kontakt-motstanden ved å lodde eller sveise ribben til røret. Prøven F17 med langsgående ribber var den eneste som viste forbedringsfaktorer som var mindre enn A /(A ) .. En mulig forklaring

o o naken

for den dårligere ytelse for langsgående ribberør er gitt tidlig-ere .

Man ser fra tabell 2 at alle de omtrent radialt ribbeutstyrte overflater som viste uventet store forbedringsfaktorer også tilfredsstiller ligning 14, nemlig Ligning 14 kan ansees som en nødvendig betingelse for vellykket gjennomføring av oppfinnelsen; imidlertid er det ikke en tilstrekkelig betingelse. For eksempel vil ultralave ribber kon-struert for fordamping av et gitt kjølemiddel ifølge eksempel 14 ikke vise de høye forbedringer ifølge oppfinnelsen hvis de ultralavribbede rør totalt er nedsenket i flytende kjølemiddel. Væskefasen av kjølemidlet må være avsatt på rørene i en form av en tynn film av væske. Videre, mens det er klart at, for et gitt kjølemiddel og en gitt ribbeform, den venstre side av ligning 14 kan gjøres så stor som ønskelig ved å øke ribbedimensjonene (H, w og W), en øvre grense må legges på venstre side av ligning 14 for å unngå en total oversvømmelse av dalene mellom ribbene av flytende kjølemiddel. Forsøkene, oppsummert i tabell 2, og bemerkningene som der er gitt, fører til følgende kriterium for å oppnå den uvanlige forbedringsgrad ifølge oppfinnelsen : Ved bruk av dette kriterium bestemmer kjølemiddelegenskapene a , p og pT7 størrelsen eller høyden av en ribbe av gitt geometri. Når kjølemidlet er valgt bestemmer den nedre grense i ligning 18 den største ribbestørrelse for hvilken overflatespenning forbedret varmeoverføring vil inntre. Likeledes bestemmer den øvre grense i ligning 18 den minste ribbestørrelse for hvilken over-flatespenningsforbedrings mekanismen ikke i for stor grad vil inhiberes av væskeflom mellom ribbene.

Innen rimelighetens grenser er den nøyaktige form for de ultralave ribber som rager ut fra overflaten av røret, ikke riktig ved gjennomføring av oppfinnelsen. Imidlertid er et trapesoid ribbetverrsnitt foretrukket for coil-oppviklede varmevekslere p.g.a. trapesoide ribber er relativt lette å lage og kan gjøres tilstrekkelig robuste til å motstå særlig deformasjon under opp-viklingen. Lokal deformering av ribber på punkter i kontakt med andre ribberør eller avstandselementer er betydelig kun i den grad at dimensjonstoleranser (klaring mellom rørsjikt, endelig diameter for coil-oppviklet bunn o.s.v.) påvirkes.

For et gitt kjølemiddel er det klart fra ligning 18 at det ikke er noen unik ribbedesign som gir uventet forbedring ifølge oppfinnelsen. Mange vellykkede ribbekonfigurasjoner .er mulige, av-hengig av formen av ribbetverrsnittet og valget av ribbedimensjonene H, w og W. En god ribbedesign vil gi et tilstrekkelig dreneringsrom mellom ribbene mens man samtidig holder et stort overflateareal pr. lengdeenhet av røret i forhold til nakent rør. I den foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen anbefales det

at ribbedimensjonene velges slik at:

Oppfinnelsen er angitt under henvisning til flere foretrukne utførelsesformer. Imidlertid skal oppfinnelsens ramme ikke være begrenset av disse utførelsesformer men av rammen som angis i de ledsagende krav.

Claims (9)

1. Varmeveksler med minst en rørformet ledning for føring av et fluid hvorfra varme skal fjernes ved hjelp av veksleren, et skall som omgir ledningen og definerer et kjølerom mellom skallet og ledningen, idet ledningen er anordnet slik at et to-fase kjølemiddel kan passere over ledningen,karakterisert vedultralave ribber festet utvendig fra den ytre overflate av ledningen der ribbehøyden H, ribbetoppbredden w og ribbegapbredden W velges i forhold til densitet og overflatespenning for kjølemidlet slik at:

2. Varmeveksler med et antall coil-viklede rørformede ledninger for føring av et fluid hvorfra varme skal fjernes ved hjelp av veksleren, et skall som omgir ledningene og definerer et kjølerom mellom skallet og ledningene, idet ledningene er anordnet slik at et to-fase kjølemiddel kan passere i det vesentlige loddrett på aksen av ledningene,karakterisert vedultralave ribber festet radialt på tvers eller i skrueform utover fra den ytre overfalte av ledningene der ribbehøyden H, i ribbetoppbredden w og i ribbegapbredden W velges i forbindelse med densiteten og overflatespenningen for kjølemidlet slik at:

3. Varmeveksler ifølge krav 2,karakterisertved at fluidet hvorfra varme skal fjernes er naturgass.

4. Varmeveksler ifølge krav 2,karakterisertved atw<W<H.

5. Fremgangsmåte for fjerning av varme fra et fluid i en varmeveksler med minst en rørformet ledning for føring av fluidet gjennom varmeveksleren, og et skall som omgir ledningen og definerer et rom for et to-fase kjølemiddel der kjølemidlet passerer over den ytre overflate av ledningen for å fjerne varme fra fluidet som strømmer i ledningen,karakterisert vedet øket varmeoverf øringsnivå oppnådd ved å føre kjølemidlet over en ledning som har ultralave ribber festet til seg der ribbe-høyden H, ribbetoppbredden w og ribbegapbredden W er valgt i forhold til densitet og overflatespenning for kjølemidlet slik at:

6. Fremgangsmåte for å fjerne varme fra et fluid i en varmeveksler med et antall coil-viklede rørformede ledninger for føring av nevnte fluid gjennom varmeveksleren, og et skall som omgir ledningene og definerer et rom for et to-fase kjølemiddel der kjølemidlet passerer over den ytre overflate av ledningene i en retning generelt loddrett på aksen av ledningene for å fjerne varme fra fluidet som strømmer i ledningene,karakterisert vedet øket varmeoverføringsnivå oppnådd ved å føre kjølemiddel over ledninger med ultralave ribber festet radialt på tvers eller i skrueform hvori ribbehøyden H, ribbetoppbredden w og ribbegapbredden W velges i forhold til dnesitet og overflatespenning for kjølemidlet slik at:

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6,karakterisertved at det som fluid hvorfra varme skal fjernes benyttes naturgass.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6,karakterisertved at man anvender forholdet w < W < H.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 6,karakterisertved at det anvendes en temperaturdifferanse mellom ledningsveggen og massen av kjølemiddel på mindre enn 13°F.