Pierwszenstwo: Ó7.VII.19ó5 Francja Opublikowano: 15.YJ972 64536 KI. 17 f, 12/10 MKP F28 liailOTEICA iJkd 1 Utj**i Pii^iIm—.Twórca wynalazku: Charles Alphonse Beurtheret Wlasciciel patentu: Compagnie Francaise Thomson Houston ¦— Hotchkiss Brandt, Paryz (Francja) Urzadzenie do wymiany ciepla z wrzeniem powierzchniowym Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie do wymiany ciepla, w którym przekazywanie ciepla dokonuje sie ha powierzchni scianki wymiany ciepla, Wskutek wrzenia miejscowego cieczy, które powstaje w odpowiednich warunkach cieplnych i cisnieniowych. W tych warun¬ kach ciecz posiada zdolnosc do skraplania sie, przy czym para wytwarza sie wskutek stykania sie Cieczy ze scianka wymiany ciepla. Powyzsze zjawisko przyjeto okreslac jako „wrzenie powierzchniowe".Znane sa Wymienniki ciepla wyposazone w scianki wymiany ciepla, na których stan sferoidalny kropli na goracej plycie stanowiacy glówne zródlo nieciaglosci pracy, polepszono przez zastosowanie powierzchni za¬ sadniczo anizotermioznych.Pomimo tych ulepszen stwierdzono, ze wyzej wymie¬ nione wymienniki ciepla podatne sa na zmiany Wdrun* ków pracy w szczególnosci na zmiany cisnienia w war¬ stwie granicznej, Powyzsze szkodliwe zjawisko wynika z tego, ze wrzenie jest zasadniczo zjawiskiem nieciag¬ lym oraz przede wszystkim z tego, ze skroplenie przez wymieszanie jest nie w pelni skuteczne. Zmiany w skropleniu spowodowane sa zmianami cisnienia, pred¬ kosci, temperatury miejscowej, strumieni cieczy oraz wielkosci i ksztaltu parowych zawirowan powstajacych wewnatrz cieczy. Przy zmianie cisnienia o kilka atmo¬ sfer wytwarza sie w wyzej wymienionych wymiennikach ciepla podcisnienie i kawitacja, którym towarzyszy szum lub nawet gwaltowne wstrzasy, co zaklóca ciaglosc wy¬ miany ciepla.Warunki pracy z warstwa graniczna posiadaja nie- 10 15 20 25 30 watpliwie wymienniki szczelne z wrzeniem powierzch¬ niowym. W tym przypadku bojler parowy zawiera stala mase plynu w postaci cieczy, z której czesc bedzie od* pafowywana i ponownie skroplona w czasie pracy, W tym celu bojler zawiera wtórny wymiennik ciepla umie¬ szczony wewnatrz tej cieczy. Jak wskazuje doswiadcze¬ nie, wyzej wymienione szkodliwe zjawisko zachodzi i równiez w innym typie wymiennika z wrzeniem po¬ wierzchniowym, z bezposrednim obiegiem, którego boj¬ ler zawiera króciec wejsciowy i króciec wyjsciowy za posrednictwem których, bojler wlaczony jest w obieg cieczy pod cisnieniem. Przekazywanie ciepla dokonuje sie wskutek miejscowego parowania i skraplania pary uzyskanej przez wymieszanie jej z Ciecza znajdujaca sie w obiegu.W wymienniku tego typu, pojawienie sie zjawiska za* klócajacego nalezy polaczyc z faktem, ze bezwladnosc cieczy zawartej w przewodach wejsciowych i wyjscio¬ wych przeciwstawia sie gwaltownym zmianom przypad¬ kowym w cieczy zawartej w danej chwili w bojlerze.Zjawiska spowodowane przypadkowymi zmianami ci¬ snienia zachodza w tym bojlerze dokladnie tak samo jak w zamknietym naczyniu.Celem wynalazku jest Wyeliminowanie niedogodnosci wystepujacych w znanych wymiennikach ciepla i zapew¬ nienie ciaglego wrzenia powierzchniowego cieczy chlo¬ dzacej przy intensywnym dzialaniu strumienia ciepla.Cel teii osiagnieto przez Opracowanie urzadzenia do wymiany ciepla zawierajacego scianke wymiany ciepla zaopatrzona w uklad zeberek i obudowe tworzaca ze 6453664536 scianka wymiany ciepla szczelny bojler wypelniony cie¬ cza chlodzaca, której temperatura i cisnienie sa takie same jak cisnienie i temperatura cieczy znajdujacej sie w warstwie przyleglej do scianki wymiany ciepla a para wytwarzana na powierzchni tej scianki skrapla sie wew¬ natrz cieczy zawartej w bojlerze.Istota wynalazku polega na tym, ze w obudowie boj¬ lera umieszczono co najmniej jedna powloke wypelnio¬ na gazem o cisnieniu równym sredniemu cisnieniu pa¬ nujacemu w otaczajacej ja cieczy.W wymienniku wedlug wynalazku, zamknieta prze¬ strzen bojlera utrzymujaca w bliskim sasiedztwie scian¬ ki wymiany zadana ilosc cieczy, posiada zmienna po¬ jemnosc z uwagi na obecnosc sprezystej powloki. Ma to na celu .zmniejszenie amplitudy chwilowych zmian cisnienia wynikajacych z przypadkowych zmian powsta¬ jacej masy pary.Wynalazek umozliwia znacznie zwiekszenie np. pod¬ wojenie wydajnosci eliminujac zjawisko kólefakcji a po¬ nadto wynalazek przynosi korzysci, które do tej pory uwazane byly jedynie za mozliwe teoretycznie, takie jak np. zastosowanie cieczy o duzej predkosci przeplywu w bezposrednim sasiedztwie scianki wymiany ciepla, przy czym temperatura plynu pozostaje o kilkadziesiat stop¬ ni Celsjusza mniejsza od temperatury nasycenia przy wymuszonym cisnieniu.Inna zaleta urzadzenia jest to, ze moze ono pracowac w róznych polozeniach w stosunku do kierunku dziala¬ nia sil grawitacyjnych.Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykla¬ dzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedsta¬ wia urzadzenie do oziebiania przez wrzenie powierzch¬ niowe w szczelnym bojlerze, w przekroju pionowym, fig. 2 — korek w przekroju pionowym, fig. 3 — odmia¬ ne korka, w przekroju pionowym, fig. 4 — wymiennik ciepla w przekroju pionowym, fig. 5 — wymiennik cie¬ pla z bezposrednim obiegiem cieczy w przekroju piono¬ wym, fig. 6 — odmiane wymiennika ciepla z bezpo¬ srednim obiegiem cieczy, w przekroju pionowym, fig. 7 — przyklad zastosowania urzadzenia do aparatu pra¬ cujacego w polozeniu pionowym, w przekroju piono¬ wym, fig. 8 — scianke wymiennika ciepla, w przekroju poprzecznym, fig. 9 — odmiane scianki wymiennika ciepla, w przekroju poprzecznym.Korpus 1 (fig. 1) zespolu do oziebienia ma postac cy¬ lindra zamknietego na jednym z jego konców. Korpus 1, który moze stanowic np. anode lampy elektronowej, przechodzi przez plyte 2 i tworzy z nia obudowa 3, szczelny bojler. Czesc korpusu 1, znajdujaca sie wew¬ natrz bojlera i stanowiaca scianke 4 wymiany ciepla zawiera na czesci cylindrycznej uzebrowanie 5, wyko¬ nane w ten sposób, ze jego powierzchnia pracuje anizo- termicznie. Wewnatrz bojlera jest umieszczony schla- dzacz, zaopatrzony w miedziana wezownice 6, która ma dwa krócce 7 i 8 umozliwiajace przeplyw przez nia wo¬ dy. Bojler moze byc napelniony ciecza 9 poprzez korek 10 szczelnie go zamykajacy.Bojler zawiera jedna lub kilka powlok 11 o zmiennej objetosci wykonanych z elastycznego tworzywa, wstep¬ nie wypelnionych gazem pod cisnieniem mniejszym od zadanego cisnienia roboczego. Powyzsze powloki moga stanowic np. napelnione powietrzem baloniki z tworzy¬ wa sztucznego o ksztalcie kulistym lub toroidalnym. W czasie pracy, pod wplywem rozszerzalnosci plynu i cze¬ sciowego jego wyparowania, powloka 11 odksztalcajac sie zajmuje polozenie 12 w zaleznosci od chwilowych zmian cisnienia w cieczy 9.Zetkniecie cieczy 9 z elementami 4 i 6 jest niezalezne od kierunku sily ciazenia, poniewaz bojler wypelniony jest ciecza bedaca pod cisnieniem. Z tego powodu, urzadzenie moze pracowac w dowolnym polozeniu wzgledem pionu, a nawet przy braku ciazenia, w przy¬ padku zastosowania na pokladzie statku kosmicznego.Korzystnie byloby wtedy zamocowanie powloki 11 w miejscu oddalonym od scianki 4 tak, w celu uniemozli¬ wienia poddawania sie pradom konwekcyjnym wystepu¬ jacym w cieczy.Wedlug odmiany urzadzenia (fig. 1), w niektórych przypadkach mozna ustawic powloke 11 w czesci rucho¬ mej bojlera, np. w wydrazonym korku 13 zastepujacym korek 10 (fig. 2), w którym powloka 11 przytrzymana jest siatka 14.Wedlug innej odmiany wykonania korek zawiera prze¬ dzial, w którym znajduje sie gaz, oddzielony przepona 20 od przestrzeni polaczonej z komora glówna bojlera (fig. 3). Zgodnie z technika stosowania w konstrukcjach hydraulicznych amortyzatorów samochodowych, korek sklada sie z dwóch pólkul 15, 16 sciskajacych miedzy soba brzeg przepony 17. Pólkula 15 zawiera gwintowa- 25 ny króciec 18 wkrecany w otwór bojlera a pólkula 16 posiada dla korka 19 otwór przez który wprowadza sie gaz w przestrzen utworzona przez pólkule 16 i przepo¬ ne 17.Fig. 4 przedstawia wymiennik ciepla rózniacy sie od poprzednich tym, ze korpus 1 moze stanowic np. anode lampy elektronowej lub cylinder maszyny cieplej, przy ¦- czym korpus przecina obudowe 3 bojlera zamiast do niego tylko wnikac. Powloka 20 o zmiennej objetosci posiada ksztalt toroidalny i jest wykonana z gietkiego materialu i napelniona gazem, przy czym powloka umie¬ szczona jest wspólosiowo ze scianka 4 i oddzielona jest od niej deflektorem 21. Ten ostatni sluzy do wzmozenia ruchu cieczy wskutek zjawiska termosyfonowego oddzie¬ lajac prady unoszenia. Powloka 11 jest podtrzymywana 40 zakrzywionymi brzegami 22 deflektora.Drugi wymiennik, który w przykladzie opisanym sta¬ nowi wezownica dla obiegu cieczy jest wykonany w po¬ staci konstrukcji powodujacej skraplanie pary przez oziebienie cieczy pierwotnej. Wymiennik ten moze miec 45 np. obudowe 3 zaopatrzona w zeberka chlodzone wy¬ muszonym przeplywem cieczy.W wymienniku ciepla z wrzeniem powierzchniowym (fig. 5) wykorzystuje sie przeplyw plynu oziebiajacego sluzacego do oziebiania korpusu 1 o ksztalcie cylin- 50 drycznym, np. cylindra maszyny cieplnej lub anody lam¬ py elektronowej o bardzo duzej mocy.Korpus 1 przechodzi przez wnetrze obudowy 23 toroi- dalnej z która tworzy bojler scianka 4 a korpus posiada uzebrowanie 5. Ciecz doplywa do bojlera króccem 24 55 rozdzielona scianka 4, która oplywa kolektorem 25 a nastepnie jest kierowana defektorem 26, który posiada plaskie obrzeze 27 zwrócone w kierunku krócca 24, do drugiego kolektora 28 z którego wyplywa króccem 29.Powloka 20 napelniona gazem jest umieszczona w prze- 60 dziale utworzonym przez obudowe 23 i deflektor 26 wraz z obrzezem 27, na którym jest zamocowana.Pierscieniowe przejscie uksztaltowane pomiedzy scian¬ ka 4 i defektorem 26 oddzielone jest od kolektora 28 siatka 30. Siatka przeznaczona jest do spowodowania 65 miejscowego zaburzenia przeplywu plynu. Zaobserwo-MSM wano* ze zjawiska naglego kurczenia i rozszerzania sie plynu biora swój poczatek najczesciej w miejscach, w których nastepuja silnie zaburzenia przeplywu. Siat- ica 30 polepsza lokalizacje tego zjawiska w kolektorze, a zwlaszcza w przestrzeni laczacej bezposrednio prze¬ dzial zawierajacy powloke 20 z pierscieniowym przej¬ sciem.W innym przykladzie wykonania (fig. 6), wymiennik ciepla posiada przedzial zawierajacy powloke 20 laczacy sie z pierscieniowym kanalem dla obiegu cieczy, po¬ przez liczne otworki 31 wykonane w deflektorze. Po¬ dobnie jak siatka 28 w rozwiazaniu poprzednim otwor¬ ki 31 powoduja zaburzenia w przeplywie cieczy, zatem powloka 20 równiez znajduje sie w bezposrednim sa¬ siedztwie miejs w których najczesciej powstaja zaburze¬ nia w przeplywie cieczy. Mniej korzystne lub nawet niepozadane byloby polozenie powloki 20 z kolektorem 25, zwlaszcza jezeli scianka 4 posiada znaczna dlugosc.Wymiennik ciepla przedstawiony na fig. 5 i 6 mozna zastosowac dla wymiany ciepla z bezposrednim obie¬ giem cieczy, na przyklad dla oziebienia anod lamp elektronowych w których elektronowe bombardowanie wewnetrznej scianki wymaga rozproszenia takiej ilosci ciepla, ze przekracza 1 kW/cm2 i osiaga np. 2 kW/cm2 na calej wewnetrznej sciance 1.Odprowadzenie strumienia ciepla o takiej wielkosci z powierzchni, która moze osiagnac kilka decymetrów kwadratowych, przekracza mozliwosci znanych sposo¬ bów technicznych. Zadanie to rozwiazuje wymiennik ciepla wedlug wynalazku przedstawiony na fig. 5 i 6, przez który przeplywa strumien w dostatecznej ilosci cieczy silnie nienasyconej, przy czym scianka wymiany ciepla wykonana jest jednym ze znanych sposobów.Scianka 4 wykonana wedlug pierwszego sposobu przedstawiona na fig. 8 wyposazona jest w rowki o sredniej szerokosci d mniejszej od jednej trzeciej ich glebokosci bi, przy czym zeberka posiadaja w kierunku poprzecznym do wyciec srednia grubosc a, zalezna od glebokosci bi rowków oraz od przewodnosci cieplnej c materialu tworzacego scianke, zgodnie z nastepujacym wzorem: bi /: a • c Scianka 4 wykonana wedlug drugiego sposobu przed¬ stawionego na fig. 9 zaopatrzona jest w zeberka o pod¬ stawach praktycznie stykajacych sie, o przekroju zmniej¬ szajacym sie w kierunku od podstawy do wierzcholka, ponadto wymiary zeberek spelniaja równania: b2 = k -L-k 0 c 0 o P- q gdzie: Sa — pole powierzchni podstawy zeberka Si — pole powierzchni bocznej zeberka c — wspólczynnik przewodnosci cieplnej ma¬ terialu tworzacego zeberka, q — krytyczna gestosc strumienia przekazywa¬ nego ciepla do plynu dla odparowywania, pod cisnieniem roboczym, 0 — odchylka temperatury mierzona pomiedzy podstawa i wierzcholkiem zeberka 0 —maksymalna gestosc strumienia ciepla od¬ niesiona do powierzchni wejsciowej ciepla, k — 1 do 2 — wspólczynnik baapkcunjtwa, p — 0,8 do 1,6 *- wspólczynnik skutecznosci, 5 przy czym wartosc b§, Sa, Si, c, 0 i q wyrazone sa w jednostkach obowiazujacego ukladu.Przyklad I. W celu rozproszenia kilkuset kilowa¬ tów wyzwolonych przy natezeniu strumienia znacznie wyzszego od kW/cm2, stosuje sie wode destylowana z wy- io dajnoscia 0,35 l/mm na kilowat do rozproszenia, co po¬ woduje ogrzewanie do temperatury 40*C. Przyjmuje sie na wejsciu 24 temperature 50°C, a na wyjsciu 29 tem¬ perature 90°C, pod warunkiem, ze zewnetrzny uklad przepompowania nadaje w obudowie 3 cisnienia co naj- l* mniej równe 4 atm, czyli cisnienie odpowiadajace tem¬ peraturze nasycenia równej okolo 140°C i powoduje od¬ chylke niedosyceniowa nie mniejsza niz 50*C.Na fig. 7 przedstawiono przyklad zastosowania urza¬ dzenia wedlug wynalazku, przeznaczonego dla typowe- 20 go aparatu pracujacego stale w polozeniu pionowym. W tym przypadku mozliwe staje sie zastapienie powloki 11 lub 20 napelnionych gazem przez pecherz z pary nagro¬ madzonej w niechlodzonej strefie i pozostajacej poza ogómym obiegiem cieczy. Vl tym celu obudowa 3 za- 25 wiera w górnej czesci przestrzeni 32 znajdujacy sie na poziomie wyzszym niz poziom wylotu dolnego konca 33 króciec 29. Tytulem przykladu koniec 33 ma ksztalt klosza obejmujacego dno 34 korpusu 1.Doswiadczenie wykazalo, ze taki uklad moze byc sa- 30 mostabilny i ze poziom cieczy ustali sie na poziomie wyzszym niz poziom otworu dolnego konca 33 krócca 29 pozostawiajac w przestrzeni 32 wystarczajaca ilosc pary dla zapewnienia tlumienia szkodliwego zjawiska.Wynalazek ma zastosowanie w róznych dziedzinach 35 techniki, zwlaszcza dla oziebiania anod i kolektorów lamp elektronowych oraz dla elementów, które musza wypromieniowac duze fioscf ciepla w maszynach ciepl¬ nych i w reaktorach chemicznych. 40 PL