DE1257175B - Siedekuehlvorrichtung - Google Patents

Description

DEUTSCHES -KjiTxw PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT DeutscheKL- 17 f-12/09

Nummer: 1 257 175

Aktenzeichen: C 152821 a/17 f

^ 237 1 T 3 Anmeldetag: 6. August 1957

Auslegetag: 28. Dezember 1967

Die Erfindung betrifft eine Siedekühlvorrichtung mit einer konkave Längsnuten enthaltenden, stehenden, massiven Wärme abgebenden Wand und die Längsnuten unter Bildung von umfänglich im wesentlichen geschlossenen Kühlkanälen überdeckenden, zusätzlichen, von der massiven Wand allenfalls unwesentlich Wärme aufnehmenden, von den Kühlkanälen her konkaven Wandungsteilen. Eine derartige Vorrichtung ist durch die ausgelegten Unterlagen der belgischen Patentschrift 545 457 bekannt.

Bekanntlich kann in mit Verdampfung einer umströmenden Flüssigkeit arbeitenden Wärmeaustauschern der Wärmefluß wesentlich vergrößert werden, wenn man der geradlinigen Bewegung der Flüssigkeit eine Drehbewegung überlagert. Die Wirksamkeit dieses Prinzips beruht darin, daß einerseits ein rascher Umlauf der in Berührung mit der heißen Wand stehenden Flüssigkeit und andererseits ein Abreißen von Dampfblasen infolge Dichteunterschieds in einem starken Fliehkraftfeld bewirkt und dadurch das Leidenfrostsche Phänomen vermieden wird. Dieses Prinzip ist bisher jedoch nur bei Wärmeaustauschern in Form von Röhren angewandt worden, die in ein Medium, dem man Wärme zu entziehen wünscht, beispielsweise in das Verbrennungsgas eines Heizkessels, eingetaucht sind. Die so aufgebauten Wärmeaustauscher sind jedoch nicht dafür geeignet, die Wärme eines heißen Körpers quer durch seine Außenwand hindurch abzuziehen, wie dies beispielsweise bei Anoden von Elektronenröhren notwendig ist. Wollte man in solchen Fällen die vorgenannten bisher bekannten Wärmeaustauscher verwenden, wäre es notwendig, den heißen Körper mit einer beträchtlichen Masse aus einem gut wärmeleitfähigen Werkstoff zu umgeben und in diese Masse Kanäle zu bohren, die in ihrem Inneren mit Ablenkteilen ausgestattet werden. Eine solche Einrichtung wäre jedoch schwer, sperrig und schwierig herzustellen.

Die durch die ausgelegten Unterlagen der belgischen Patentschrift 545 457 bekannte Siedekühlvorrichtung stellt eine Siedekühlvorrichtung für Elektronenröhren mit äußerer Anode dar, die einen die Wärmeaustauschwand umgebenden Mantel aufweist, der jedoch lediglich den Zweck hat, den durch Thermosiphonwirkung erfolgenden Flüssigkeitsumstrom in senkrechter Richtung in Nähe der Wärmeaustauschwand zu verstärken, und der hierbei die aufsteigende Flüssigkeitsader von der absteigenden Flüssigkeitsader trennt. Aus diesem Grunde kann dieser Mantel mit den zwischen den Kühlkanä-Ien befindlichen Vorsprüngen der Wärmeaustauschwand in Berührung stehen oder nicht; unter der Be-Siedekühlvorrichtung

Anmelder:

Compagnie Frangaise Thomson
Houston-Hotchkiss Brandt, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. Dipl. oec. publ. D. Lewinsky,
Patentanwalt, München-Pasing, Gotthardstr. 81

Als Erfinder benannt:
Charles Beurtheret,
Saint-Germain-en-Laye, Seine-et-Oise
(Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 6. August 1956 (719 972)

dingung, daß in ersterem Fall der Mantel am Wärmeaustausch nicht merklich teilnimmt, treten Instabilitäten auf, die auf die Bildung von Dampfblasen zurückzuführen sind. Außerdem stehen bei dieser vorbekannten Siedekühlvorrichtung die Wandungen der Kühlkanäle mit einem von ihrem Strömungseintritt zum Austritt immer mehr an Dampf reicheren Dampf-Flüssigkeits-Gemisch in Berührung, was einen Nachteil insofern mit sich bringt, als die zulässige Wärmeabgabe eines Wärmeaustauschers durch die pro Flächeneinheit ihrer am schlechtesten gekühlten Teile zulässige Wärmeabgabe bestimmt ist. Dieser geringe Wirkungsgrad wird noch dadurch verschlechtert, daß die Abführung der Dampfblasen dem zufälligen Einwirken der normalen Strömungsturbulenz und der Schwerkraft überlassen bleibt, so daß sich große Dampfblasen mit langer Haftdauer bilden und damit die Gefahr örtlicher Überhitzung der Wärmeaustauschwand besteht.

Es ist im übrigen schon bei Kesselrohren bekannt, in diesen Ablenkteile anzuordnen, die in der Haupterstreckung einer um das Kanalinnere gewundenen Schraubenlinie folgen, um der Kühlflüssigkeit eine Drehbewegung zu erteilen, so daß infolge der hierbei auftretenden Fliehkräfte die spezifisch schwerere Kühlflüssigkeit nach der Kesselrohrwand zu gedrückt wird, während die spezifisch leichteren Dämpfe nach der Rohrachse gedrängt werden und längs dieser abströmen.

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I 257

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Siedekühlvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der unter Beibehaltung der einfachen Gestaltung der Wärme abgebenden massiven Wand die Abführung der entstehenden Dampfbläs- S chen erheblich gefördert wird und auch noch bei geringem Kühlflüssigkeitsdurchsatz durch die Kühlkanäle für eine örtlich und zeitlich gleichmäßigere Verteilung der Kühlflüssigkeit an den Kanalwänden gesorgt ist. Diese Siedekühlvorrichtung soll hierbei gleichermaßen für Anoden von Senderöhren großer Leistung als auch für Brennstoffstäbe von Kernreaktoren geeignet sein.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß in den Kühlkanälen Ablenkteile angeordnet sind, die in der Haupterstreckung einer um das Kanalinnere gewundenen Schraubenlinie folgen und nur an den zusätzlichen Wandungsteilen befestigt sind.

Durch diese Maßnahme ist gegenüber einer Siedekühlvorrichtung der eingangs genannten vorbekannten Art der Vorteil einer wesentlich höheren Wärmeaustauschleistungsgrenze gegeben, weil die sich bildenden Dampfbläschen bereits im Stadium ihres Entstehens abgerissen werden, bevor sie nämlich Abmessungen annehmen, die geeignet sind, die Erscheinung des Leidenfrostschen Phänomens örtlich entstehen zu lassen. Dieser Vorteil ist bei der Siedekühlvorrichtung gemäß der Erfindung um so mehr gegeben, als die Wärmeaustauschleistung pro Flächeneinheit diesen gesteigerten Wert über die gesamte Länge der Wärmeaustauschwand annimmt, da die Wände der Kühlkanäle von einem zum anderen Ende hin mit einem rasch bewegten Flüssigkeitsstrom in Berührung stehen, während der Dampf durch den mittleren Bereich der Kanäle entweicht. Dieser Vorteil macht sich vor allem bei ziemlich langen Siedekühlvorrichtungen bemerkbar, wie solche häufig bei Elektronenröhren und vor allem bei Brennstoffstäben von Kernreaktoren notwendig sind.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die zusätzlichen konkaven Wandungsteile durch eine gemeinsame Hülse gebildet sein. In manchen Anwendungsfällen kann man am Strömungseingang der Kühlkanäle den Kühlflüssigkeitsstrom drosselnde Elemente vorsehen. Die Flächenbereiche der Längsnuten können Riefen oder Aufrauhungen zur Erzeugung örtlicher Wirbelungen aufweisen. Für die Einführung der Kühlflüssigkeit in die Kühlkanäle kann ein zu deren Wandüngen tangential gerichtetes Röhrchen vorgesehen sein.

Die Zeichnung veranschaulicht schematisch in mehreren beispielsweisen Ausführungsformen Siedekühlvorrichtungen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Art.

F i g. 1 und 2 zeigen Siedekühlvorrichtungen gemäß der Erfindung mit einer Mehrzahl von Kanälen gleichbleibenden Querschnitts, die von konkaven Längsnuten und zusätzlichen konkaven Wandungsteilen gebildet sind, die bei der Siedekühlvorrichtung der F i g. 1 einzeln vorgesehen und bei der Siedekühlvorrichtung der F i g. 2 durch eine gemeinsame Hülse gebildet sind.

F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Siedekühlvorrichtung gemäß Fig. 1 mit zwischen benachbarten Kanälen vorgesehenen massiven Vorsprüngen.

F i g. 1 zeigt einen hohlen zylindrischen Metallkörper, welcher die Wärme von der Innenseite her empfängt, wie dies z. B. bei der Außenanode einer Hochleistungselektronenröhre oder bei dem Kollektor eines Klystrons großer Leistung der Fall ist. In dem Metallblock ist an seiner Außenseite ringsum eine bestimmte Zahl von Kühlkanälen 14 ausgespart, welche eine konkave Querschnittsform und lotrechte Achsen aufweisen und durch ebenfalls lotrechte massive Rippen 15 voneinander getrennt sind. Die Kühlkanäle 14 sind von in den Metallkörpern vorgesehenen konkaven Längsnuten und sie überdeckenden zusätzlichen konkaven Wandungsteilen 16 gebildet, die im Innern der Kühlkanäle erfindungsgemäß ausgestaltete Ablenkteile 17 tragen.

F i g. 2 veranschaulicht eine Siedekühlvorrichtung, die sich von der Vorrichtung nach F i g. 1 dadurch unterscheidet, daß die Längsnuten der Metallkörperwand zu Kühlkanälen 14 nicht einzeln durch je einen Wandungsteil 16, sondern durch eine gemeinsame Hülse 18 entsprechender Form berandet sind, welche die Ablenkteile 17 auf ihrer Innenseite aufweist. Da bei der erfindungsgemäßen Siedekühlvorrichtung der thermische Kontakt zwischen den Enden der Rippen 15 und der sie umschließenden Hülse 18 nur einen unwesentlichen Beitrag zur Kühlung des heißen Körpers liefern soll, kann es in bestimmten Anwendungsfällen vorteilhaft sein, die Hülse 18 mit den Ablenkteilen 17 als getrennten und abnehmbaren mechanischen Teil auszuführen.

Die in F i g. 1 und 2 in den aufeinanderfolgenden Kanälen 14 angeordneten Ablenkteile 17 sind vorzugsweise mit im Wechsel entgegengesetzten Steigungen ausgerichtet, so daß die Drehbewegungen der Flüssigkeit in den aufeinanderfolgenden lotrechten Kanälen 14 gegensinnig sind. Dadurch wird die Trennung der Flüssigkeit und des Dampfes nach Austritt aus den Kühlkanälen erleichtert. Der Querschnitt der Kühlkanäle 14 kann auch eine nicht gleichförmige Krümmung aufweisen, und man kann Änderungen der Krümmung zur Erhöhung der Wirksamkeit der Vorrichtung an den am meisten belasteten Teilen der heißen Wand benutzen, wie dies in F i g. 2 angedeutet ist, in der der kleinste Krümmungsradius am Grund des Kanalquerschnitts vorgesehen ist.

Der Querschnitt der nach F i g. 1 und 2 oder ähnlich ausgebildeten rohrförmigen, die Ablenkteile für die Flüssigkeit erfindungsgemäß enthaltenden Kanäle kann auch über deren ganze Länge hin ungleichförmig sein; er kann sich insbesondere von der Flüssigkeitseintrittsöffnung nach der Austrittsseite hin kontinuierlich erweitern. Bei anderen Anwendungsfällen kann es vorteilhaft sein, die Kühlflüssigkeit durch Röhrchen tangential von der Seite in die Kühlkanäle einzuführen, und zwar zweckmäßig da, wo der Querschnitt am größten ist, um von der Beschleunigung der Drehbewegung Nutzen zu ziehen, welche auftritt, wenn der Krümmungsradius der Flüssigkeit abnimmt. Die senkrechten Rippen 15 der Vorrichtung nach F i g. 2 können gegebenenfalls in der Form von Zähnen auf einen Teil ihrer Länge unterteilt sein, ohne die erfindungsgemäß erfolgende Wirkungsweise der Siedekühlvorrichtung merklich zu stören.

F i g. 3 zeigt ein weiteres Beispiel für die Anwendung der Erfindung zur Kühlung der Oberfläche der Außenanode von Elektronenröhren. Wie beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 sind die Kanäle 14 je-

Claims (5)

weils einzeln von konkaven Wandungsteilen 16 bedeckt, an deren Innenseite Ablenkteile 17 befestigt sind. Im Gegensatz z. B. der F i g. 1 ragen jedoch hier die zwischen den Kanälen gelegenen Teile der Wärmeaustauschwand nach außen hin in Gestalt von massiven, glatten oder gezähnten Rippen 20 beträchtlich in den Flüssigkeitsraum hinein. Die durch sie erfolgende Wärmeableitung bewirkt eine erhebliche Uberlastungsfähigkeit der Siedekühlvorrichtung. Die erfindungsgemäße Siedekühlvorrichtung kann mit Hilfe einer Pumpe oder einer sonstigen hydraulischen Fördereinrichtung gespeist werden. Sie läßt sich aber oft, insbesondere in den in Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen, so gestalten, daß sie ohne solche äußeren Hilfsmittel, einfach in eine Flüssigkeit getaucht, arbeitet. Die durch Thermosiphonwirkung auftretende Umlaufführung ist nämlich durchweg genügend, um mit Hilfe der Ablenkteile die Rotationsströmung der Flüssigkeit im Inneren der Kanäle und die Bildung von Hohlwirbeln mit der Dampfabführung in dem axialen flüssigkeitsfreien Hohlraum zu bewirken. Man wird die so ausgeführten Siedekühlvorrichtungen normalerweise bis nahe zum oberen Rand der zusätzlichen konkaven Wandungsteile in die Flüssigkeit eintauchen lassen. Da das Gemisch aus Wasser und Dampf in den Kühlkanälen leichter als Wasser ist, erzielt man in den Kühlkanälen leicht eine Flüssigkeitsgeschwindigkeit von 1 m/Sek., selbst auch noch bei niedrigerem Flüssigkeitsstand. Eine unbehinderte Zufuhr von Flüssigkeit kann für bestimmte Abmessungen der Kühlkanäle sogar eine zu große Flüssigkeitsmenge zur Wirkung gelangen lassen, die eine periodische Verstopfung der Kanäle erzeugt, die ihrerseits eine Längsschwingung mit niederer Frequenz entstehen läßt. Erfindungsgemäß kann man diese unerwünschte Wirkung der Flüssigkeitsbewegung und die daraus sich ergebenden störenden Schwingungen dadurch unterdrücken, daß man an der Eintrittsseite eines jeden Kühlkanals eine Drosselung des Durchgangsquerschnitts vorsieht, durch welche die Flüssigkeit gebremst und ihre maximale Zufuhrmenge auf einen Wert beschränkt wird, der eindeutig über dem Bedarf für die Verdampfung in dem Kanal liegt. Diese Einschnürung kann entweder mit Hilfe von einem oder mehreren engen, tangentialen Rohren oder durch einen schraubenlinigen Leitungsweg mit geringer Ganghöhe oder irgendeine ähnliche Vorrichtung erreicht werden. Alle Vorrichtungen nach der Erfindung können so ausgebildet sein, daß sie unter einem dem Atmosphä- rendruck nahekommenden Druck oder bei einem anderen Druck arbeiten, der aus irgendeinem äußeren Grunde, wie z. B. Bau einer zur Rückgewinnung von Wärmeenergie in mechanischer Form dienenden thermischen Maschine mit hohem Wirkungsgrad, erforderlich ist. Patentansprüche:

1. Siedekühlvorrichtung mit einer konkave Längsnuten enthaltenden, stehenden, massiven Wärme abgebenden Wand und die Längsnuten unter Bildung von umfänglich im wesentlichen geschlossenen Kühlkanälen überdeckenden, zusätzlichen, von der massiven Wand allenfalls unwesentlich Wärme aufnehmenden, von den Kühlkanälen her konkaven Wandungsteilen, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kühlkanälen (14) Ablenkteile (17) angeordnet sind, die in der Haupterstreckung einer um das Kanalinnere gewundene Schraubenlinie folgen und nur an den zusätzlichen Wandungsteilen (16) befestigt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Wandungsteile (16) durch eine gemeinsame Hülse (18) gebildet sind (F i g. 2).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang der Kühlkanäle (14) den Kühlflüssigkeitsstrom drosselnde Elemente vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenbereiche der Längsnuten Riefen oder Aufrauhungen zur Erzeugung örtlicher Wirbelungen aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einführung der Kühlflüssigkeit in die Kühlkanäle (14) ein zu deren Wandungen tangential gerichtetes Röhrchen vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 901 421, 597 472,
222, 3 861;

deutsche Patentanmeldung D 198 Ia/17f (bekanntgemacht am 29. 6. 1951;

schweizerische Patentschrift Nr. 152 051;
belgische Patentschrift Nr. 504 253;
französische Patentschrift Nr. 1 079 141;
USA.-Patentschriften Nr. 2 024 743, 1 821434;
Unterlagen der belgischen PatentschriftNr. 545457.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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