DE1501481A1 - Anordnung zur Waermeuebertragung unter anisothermen Verhaeltnissen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Wärmeübertragung unter anisothermen Verhältnissen, bestehend aus einer Wand aus wärmelerbfähigem Material, auf deren einer Seite eine Wärmequelle vorgesehen ist und deren andere Seite, die einer verdampfungsfähigen Flüssigkeit ausgesetzt ist, mit Vorsprüngen versehen ist, deren Seitenwände» während des Betriebes der Wärmequelle, starke Temperaturgefälle aufweisen. Anisotherme Verdampfungs-Wärmeableitung s sy sterne v/erden in weiten Bereichen der Technik verwendet, wie z.B_# bei Hochleistungselektronenröhren, Verdampfungsaggregaten usw.

Der besondere Vorteil von Verdampfungs-Kühlungsmethoden gegenüber der Wärmeableitung durch strömungsfähige Medien, wie Flüssigkeiten oder Gase, besteht darin, daß durch die Verdampfung große Mengen von Wärme absorbiert werden, Trotsdem blieben diese Metheden beim Auftreten großer Wärmemengen, für viele Jahre, infolge eines zerstörenden Phänomens, das als "burn-out^!'-Effekt bekannt ist, nicht gangbar. Dieses Hindernis wurde erstmalig in den Jahren I95O durch die sog, anisothermen Verdampfungs-

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systeme des Anmelders überwunden. Um den Gegenstand der vorliegenden Erfindung besser verständlich zu machen ist der genannte ''burn-ouf'-Effekt und die Art und Weise, wie er verhindert werden k»nnte, nachstehend kurz erläutert.

In Fig. 1 der Zeichnung stellt die Kurve 1 die bekannte Nukiyama-Kurve dar, welche das Gesetz der Wärmeübertragung/zwischen einer Wand, welche aus warmeleitfähigem Material besteht., und einer siedenden Flüssigkeit, im vorliegenden Fall Wasser bei atmosphärischem Druck, darstellt. In der Ordinate ist der Betrag der Wärmeübertragung pro Flächeneinheit, auch als Wärmeflußdichte

p
bezeichnet, in Watt pr^ cm angegeben, in der Abszisse die Oberflächentemperatur in ⁰C, von der Sättigungstemperatur t an (100° C in diesem Beispiel).

Die Kurve besteht im wesentlichen aus vier Abschnitten: Einer Zone A mit einem langsam ansteigenden Ast, der in einem Kniepunkt N endet. In dieser Zone* erfolgt der Wärmeübergang durch normale Konvektion, ohne daß die Flüssigkeit siedet. Einer Z-me B mit einem zweiten, vom Kniepunkt N zu einer Spitze M stark ansteigenden Ast. In dieser Zone ist das Wasser normalem, sog. nucleatem Sieden unterworfen und ist der Betrag der Wärmeübertragung durch Konvektion stark vergrößert« Einer dritten Zone C mit einem "von der Spitze M zu einem Punkt L (welcher als Leidenfrost-Punkt bekannt ist), abfallenden Ast, welche Zone eine Übergangsζone darstellt und einer vierten Zone D, mit einem vom Punkt L ansteigenden Ast, in welcher Zone die Verdampfung .des Wassers mehr durch sog, Film-Sieden (speroidaler Zustand) als durch gewöhnliches, nucleates oder Blasensieden, wie bei tiefen

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Oberflächentemperaturen, erfolgt. Diese Darstellung läßt folgende Aufschlüsse zu: Ist irgendein Oberflächenelement auf einer genau konstanten gewählten Temperatur gehalten, die auf der Abszisse ausgewählt werden kann und durch genaue Regulierung der der Wand dupch die Wärmequelle zugeführten Wärme erzielt wird, so bleibt der Betrag der Wärmeableitung im großen und ganzen konstant und entspricht dem entsprechenden Wert der Kurve auf der Ordinate. In der Praxis freilich wird die Wärmeflußdichte durch die Wand von der Wärmequelle erhöht, wobei unter diesen Bedingungen gefunden wird, daß in den zwei Zonen A und B der Betriebspunkt der Kurve bis zur Spitze M folgt und dann vom Punkt M zu einem Punkt Q springt, der auf der gleichen Abszisse in der vierten Zone D liegt. Dies entspricht einem Ansteigen der Oberflächentemperatur von ungefähr 125° C bis über 1000° C, wodurch normalerweise dem Oberflächenmaterial nicht zu behebende Schaden zugeführt werden.

Dieser starke und plötzliche Temperaturanstieg eines Teiles der Oberfläche des Kühlmediums, der die verhältnismäßig niederen Temperaturen des kritischen Punktes M (125° C im Falle des siedenden Wassers bei atmosphärischem Druck) Reit übersteigt, bedingt somit eine irreversible Überhitzung, die als "burn-out"-Effekt bezeichnet ist. Der kritische Punkt M der Nukiyama-Kurve ist daher auch als "'burn-ouf'-Punkt bekanntgeworden. Sobald der von der Wärmequelle zugeführte Wärmebetrag so groß ist, daß dadurch der ^;'burn-out"-Punkt an irgendeiner Stelle der Kühlungsflüssigkeit auch nur um einen äußerst geringfügigen Betrag überschritten wird, entsteht ein "Hitzepunkt", der den "burn-out"-Effekt und die Zerstörung der Oberfläche nach sich zieht.

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Um diesen "burn~out"-Effekt zu vermeiden, ist seit vielen Jahren als einzige Möglichkeit bekannt die Geschwindigkeit der Strömung und den Druck der Kühlungsflüssigkeit zu erhöhen, in dem Bestreben, den Arbeitspunkt auch dann am steigenden Ast der Zone B der Nukiyama-Kurve zu halten, wenn größere Mengen von Wärme auftreten, um dadurch den Zustand des normalen nucleaten Siedens aufrechtzuerhalten bzw. das Eintreten der instabilen tJbergangsverhältnisse zu verzögern. Dies erforderte die Oberfläche des wärmeübertragenden Materials in isothermem Zustand zu halten, und zwar auf einer gleichmäßigen Temperatur, welche hinreichend unter dem ^!tburn-out"-Punkt M liegt, um dadurch genügende Sicherheit gegen die Bildung von Hitzepunkten und dendurch diese bedingten "burn-ouf'-Effekt zu erhalten. Die daraus resultierenden Verhältnisse waren aber im wesentlichen trotzdem instabil, wodurch die Leistungen die bewältigt werden konnten drastisch begrenzt waren.

In den Jahren I95O stellte der Anmelder fest, daß es, im Gegensatz zu früheren Vorstellungen, möglich ist, eine Wärmeableitungsanordnung mit Verdampfung anzugeben, in dem der "burn-out"-Effekt, auch bei Temperaturen, welche den kritischen Punkt der NuMyama-Kurve überschreiten, vermieden werden kann. Im Gegensatz zu den früheren Lösungen, bei welchen komplizierte Vorkehrungen getroffen wurden, über die ganze Wärmeübergangsoberfläche isotherme Verhältnisse aufrechtzuerhalten, um gut unterhalb des genannten kritischen Punktes eine gleichmäßige Temperatur einzuhalten, liegt diese Lösung darin, die Oberfläche bewußt völlig anisotherm zu halten.

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Es werden dabei an. der Oberfläche des Materials, die der siedenden Flüssigkeit ausgesetzt ist, massive Vorsprünge, wie Höcker oder Rippen angeordnet, wobei die Temperatur des Metalls am Fuße oder der Basis dieser Vorsprünge wesentlich über dem kritischen Punkt liegt, hingegen an den Spitzen der Vorsprünge, welche in die Flüssigkeit einlagen, wesentlich tiefer/ als die kritische Temperatur bleibt. Auf diese Weise wird bewußt längs der Oberfläche dieser Vorsprünge ein Temperaturgefälle ausgebildet. Dieses Temperaturgefälle liegt in einem Bereich, der Temperaturen von weit unterhalb öis weit oberhalb des kritischen Punktes umfaßt, mit kühlen Stellen, in welchen gewöhnliche, nucleate Verdampfung oder Blasenverdampfung vorherrscht (Zone B der Nukiyama-Kurve), bis au heißen Stellen, deren Arbeitspunkt innerhalb der Übergangszone (Zone C) liegt und, wenn erwünscht, mit sehr heißen Stellen, die in der Zone des Filmsiedens (Zone D) liegen.

Dieses Temperaturgefalle erwies sichkls wirksam, die Spitze M zu stabilisieren, sowie der Kurve in der Übergangszone ML zu folgen, welche als instabil galt. Der Arbeitspunkt des Wärmeüberganges folgt dabei dem absteigenden Ast der Kurve anstelle die Tendenz zu zeigen unkontrolliert zu den nicht tolerierbar hohen Temperaturen von mehr als 1000° C, die durch den Punkt Q dargestellt sind, zu springen, sobald die Temperatur an irgendeiner StelJ.e sich dem kritischen Punkt M annähert, wie dies bei älteren Typen von Verdampfungs-Kühlungssystemen, welche aus isothermen Lösungen beruhten, der Fall war.

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Ficht isotherme Kühlungssysteme, welche aufgrund der oben dargelegten Prinzipien entworfen wurden, werden nun in weiten Gebieten der Technik verwendet, z.B. für die Kühlung der Anoden von Senderöhren, und haben nahezu sämtliche anderen früheren Arten von Kühlungssystemen ersetzt, wie z.B. insbesondere bei Hochleistungssenderöhren. Ähnliche Systeme werden auch in experimentellem Maßstab für die Kühlung der Zylinder von Verbrennung skr aftmasch inen angewendet«

Unter den verschiedenen amerik. und ausländischen Patenten, die der Anmelder auf anisotherme Wärmeableitungssysteme besitzt, sei insbesondere die amerik, Patentanmeldung Ser.No. 260 24-5 erwähnt, welche am 21.2.1963 eingereicht wurde. In diBsem Patent sind gewisse Beziehungen in den Dimensionen der Vorsprünge und zwischen diesen Dimensionen und dem Wärmeleitungsfaktor des Materials, aus welchem die Systeme gefertigt sind, dargelegt. Wenn diese Verhältnisse eingehalten werden kann man feststellen, daß der Stabilisierungseffekt'durch das Temperaturgefälle längs der Seitenwände der Vorsprünge vergrößert ist. Dies wird, wie in dem Patent dargelegt, hauptsächlich durch die Tatsache erzielt, daß, wie in einer der zwei Beziehungen betreffend die Dimensionen festgehalten ist, die Rillen oder Kanäle zwischen aneinanderliegenden Vorsprüngen, bezogen auf ihre Breite, relativ eng sind und derart als DampfeRektoren wirken. Durch das dadurch erzwungene Ausströmen von Dampf aus den Rillen in radialer Richtung wird ein großer Bereich der Seitenwände der Rillen für die Flüssigkeit verfügbar, wodurch längs dieser ein hohes Temperaturgelälle entsteht, das sehr stabilisiernd wirkt.

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Die Anordnungen nach dem früheren Patent des Anmelders, bei welchen zwischen den Vorsprüngen schlitzartige Rillen vorgesehen sind, weisen jedoch einige Nachteile auf. Diese liegen einerseits darin begründet, daß die Herstellungskosten relativ hoch sind und daß die angeführten Beziehungen bei kleinen Anordnungen manchmal nicht anwendbar sind, Darüberhinaus können sich, soferne nicht eine gereinigte Flüssigkeit verwendet wird, in den engen Schlitzen Ablagerungen bilden. Ein Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine anisotherme Anordnung zur Wärmeübertragung anzugeben, die zumindest gleich gute Eigenschaften aufweist wie die Anordnung nach dem früheren Patent, die jedoch keinerlei enge, tiefe Kanäle und durch in diesen liegende Nachteile aufweist« Ein anderes Ziel der Erfindung liegt darin, eine anisntherme Anordnung zur Wärmeübertragung anzugeben, die, was ihre Dimensionen und Eigenschaften im Hinblick auf die Betriebsbedingungen anbetrifft, genau und wissenschaftlich bestimmbar ist.

Kürzlich erfolgte Arbeiten des Anmelders auf dem Gebiet der anisothermen Wärmeübertragungssysteme brachten eine wichtige Erkenntnis; Es wurde experimentell festgestellt, daß 'outer anisothermen Bedingungen, die auf die Anordnung des Anmelders angewendet wurden, der wahreVerlauf der WärmeÜbertragungskurve in Abhängigkeit der Temperatur mm Übergangsbereich zwischen dem kritischen Punkt M und dem Leidenfrost-Punkt wesentlich von dem althergebrachten Verlauf der Nukiyama-Kurve abweicht. Dies wird nachstehend näher erläutert werden. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht somit auch darin, aus den Möglichkeiten dieser Erkenntnis, indem sie auf .ein praktisches System angwendet werden,

vollen Nutzen zu ziehen._A . _A . _A . _M

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Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die früher schon erwähnte, herkömmliche Nukiyama-Kurve, die unter anisothermen Bedingungen, ein hohes Temperaturgefälle vorausgesetzt, in der Übergangszene vom Anmelder neu ermittelt wurde, die Pig. 2, 3 und 4 Querschnitte durch verschiedene Ausführungsformen der Vorsprünge nach der Erfindung in vergrößertem Maßstab, die Pig. 5 eine stilisierte Ansicht des Verlaufes der Flüssigkeit und des Dampfes, welcher sich in der anisothermen Kühlungsanordnung, sobald sich die Bedingungen dem maximalen oder Nennwert der Wärmeübertragung annähern, ausbildet, Fig. 5a eine ähnliche Darstellung des Verdampfungsverlaufes, der in der Anordnung mit Rillen, nach dem früheren Patent des Anmelders, auftritt, Fig. 6 eine Ansicht im rechten Winkel zu den Fig. 2, 3 und 4-, wie durch die Pfeile VI-VI in Fig, 3 angegeben ist, in etwas verkleinertem Maßstab sowie eine Abänderung des Erfindungsgegenstandes, die Fig. 7 und 8 Ansichten ähnlich denen der Fig. 2 bis 4, mit weiteren Abänderungen der Vorsprünge,

Es ist durch den Anmelder festgestellt worden, daß die in der Fig. 1 dargestellte, schon früher erwähnte herkömmliche Nukiyama-Kurve im Falle anisothermer Wärmeübertragungsanordnungen der Art, auf die sich die Erfindung bezieht, nicht richtig bzw. nui teilweise richtig ist. Die Abweichung ven der bisher gültigen Theorie betrifft die sog. Übergangsz^ne zwischen dem kritischen Punkt M und dem Leidenfrost-Punkt L. Mittels Experimenten, · bei' denen eine große Anzahl von kleinen Temperaturfühlern verwendet wurden, die

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in Bohrlöcher der Vorsprünge einer anis«»thermen Wärmeübertragungsanftrdnung des Anmelders, insbesondere einer Anordnung der Art, wie sie in der Beschreibung dargestellt ist, eingesetzt wurden, wurde nachgewiesen, daß in einer Anordnung mit einem Temperaturgefälle, das die kritische Temperatur des Punktes M enthält und in dem alle Temperaturen der Übergangszone gleichzeitig auftreten, die übertragene Wärmeflußdichte O nicht nur stabil ist, sondern wesentlich höher liegt als durch die traditionelle Nukiyama-Kurve angegeben ist. Die tatsächliche Wärmeflußdichte ergibt dabei eine Kurve, die in der Zeichnung, vom Punkt E bis zum Punkt L, durch eine strichpunktierte Linie angegeben ist.

Für diese Erkenntnis kann bisher keine theoretische Erklärung gegeben werden. Alles was bisher gesagt werden kann ist, daß die erhöhte Fluß/Temperaturkurve R, zwischen den beiden Punkten M und L, der normalen physikalischen Situation entspricht, die in einem anisothermen System, das ein großes Wärmegefälle aufweist, auftritt, soferne zwischen aneinanderliegenden Gebieten der anisothermen Oberfläche, in welchen Temperaturwerte auftreten, die auf beiden Seiten der kritischen Temperatur M liegen, ein hinreichend gleichmäßiger Übergang aufrechterhalten werden kann« Unter diesen Gebieten sind solche verstanden, in welchen nucleates oder Blasensieden und solche, in welchen Übergangssieden oder sog. "semi~film^:'-Sieden auftritt. Unter diesen Bedingungen stellt die neue Kurve R ein Beispiel für die gesamten, zusammengesetzten Verdunstungsbedingungen dar, die in einem anisothermen System tatsächlich auftreten. Die Kurve U hingegen,

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die durch frühere Arbeiten bestimmt worden war, ist nur eine fiktive Kurve, die unter isothermen Oberflächenbedingungen durch eine Serie von Flußmessungen bei unterschiedlichen Temperaturen ermittelt wurde. Diese Kurve hat jedoch insoferne keine physikalische Bedeutung als sämtliche Punkte in einem anisothermen System niemals zugleich miteinander auftreten können, es sei denn, das Temperaturgefälle an der Oberfläche ist sehr gering.

Wie immer auch die Theorie sein mag steht fest, daß aufgrund dieser neuen Kurve R gegenüber der althergebrachten Kurve U große Vorteile erzielt werden können, soferne dieserKurve in einer praktischen Anordnung Gültigkeit verschafft werden kann. Der erste Vorteil liegt, wie schon oben dargelegt, in der Stabilität, Der zweite Vorteil liegt in den wesentlich erhöhten Wärmeflußdichten, die im betreffenden Temperaturbereich erzielt werden können und in der durch diese begründeten erhöhten Wärmeübertragungskapazität der Anordnungen.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß die Verhältnisse dieser "totalen" Verdampf ungskurve R, in einer anistthermen Wärmeübertragungsanordnung wirkungsvoll und verläßlich erzielt werden können, ohne daß dabei zwischen den einzelnen Vorsprüngen enge Rillen benötigt werden. Vorausgesetzt ist nur, daß die Vorsprünge derart dimensioniert sind, daß sie, wird die Anordnung bei oder nahe den maximalen nominalen Wärmeübertragungsbedingungen betrieben, längs ihrer Oberflächen den erforderten Temperaturabfall, der durch den nominalen- Wärmeanfall auftritt, aufweisen und sie weiters in der Lage sind, die

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Wärme, die ihrer Grundfläche zugeführt wird, an die umgebende Flüssigkeit abzugeben.

In Fig. 5, die später noch ausführlich erläutert werden wird, ist der Verdampfungsverlauf der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, der unter der Voraussetzung gilt, daß maximale Wärmezufuhrbedingungen herischen. Daraus ist zu entnehmen, daß alle Vorsprünge, die im Querschnitt dreieckige Gestalt aufweisen, von ihrer Spitze einen Dampfstrahl 14· abschießen. Dieser dauernd auftretende Dampfstrahl hat zur Folge, daß der Rand des Dampffilmes, der sonst die Tendenz aufweist, die Gebiete des Übergangs(semi-Film)--Siedens von den anschließenden Gebieten dös nucleaten Siedens abzutrennen, auf jeder Seite der Oberfläche der Voreprünge aufgerissen wird. Auf diese Weise wird, auf allen Seiten der Oberfläche ■■ ■ zryis ob en _,den beiden Zonen.·'¹., deis Ilßffiperaturgefalles der erforderte Übergang erzielt, welcher eine Vorbedingung zur Erreichung der Verhältnisse nach der veiv besserten, totalen Verdampfungskurve R ist.

Fig« 5a, die im wesentlichen der Fig. 4 des oben erwährten früheren Patentes entspricht, zeigt den Verdampfungsverlauf unter ähnlichen Betriebsbedingungen, bei einer Anordnung mit engen Rillen. Wie in dem früheren Patent genauer dargelegt ist, werden aus den einzelnen Rillen Dampfstrahlen herausgeschossen.

Ss sei dabei festgestellt, daß die Wirbel, die durch diese Dampfstrahlen erzeugt werden, die Dampffilme aufreißen und dadurch die Kontinuität des Temperaturgefälles über die Oberfläche

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gewährleisten., läas für die Erzielung der Verhältnisse nach, der verbesserten, totalen Wärme Übertragungskurve R notwendig ist. In beiden Systemen sind alle Seiten der Oberfläche über ihre gesamte Ausdehnung mit Flüssigkeit benetzt. Der Unterschied der beidan Anordnungen besteht darin, daß bei der früheren die gegenüberliegenden Oberflächen der engen Rillen zusammenwirken, um diese Wirbel zu erzielen, wogegen in der Anordnung nach der Erfindung dafür die gegenifc erliegenden Oberflächen jedes einzelnen Vorsprunges zusammenwirken. Es wird somit bei der vorliegenden Anmeldung das gleiche Resultat erzielt, ohne daß jedoch dafür zwischen den Vorsprüngen die unerwünschten, engen Rillen notwendig sind.

Nachstehend ist die erfindungsgemäße Dimensionierung dieser einzelnen VorSprünge näher erläutert.

In Fig. 2 der Zeichnung ist eine der erfindungsgemäßen Wärmeverteilungsanordnungen dargestellt. Diese Anordnung, die mit der Bezugsziffer 3 versehen ist, besteht aus einer im allgemeinen flachen metallischen Wand 5, welche auf einer Seite mit abstehenden Höckern oder Vorsprüngen 4· versehen ist. Es ist zu bemerken, daß diese mit Vorsprüngen versehene Seite, die nachstehend als Außenseite bezeichnet ist, während des Betriebes von siedender Flüssigkeit, z.B. Wasser umgeben ist. Die Wärme, die abgegeben werden soll, wird der anderen Seite, d.h. der Innenseite der Wand 5, deren Oberflächengestaltung nicht genau bestimmt ist, zugeführt.

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Die VorSprünge 4 können in parallelen Reihen angeordnet sein, die aufeinander senkrecht stehen und können Zwischenräume aufweisen, die den Vorsprüngen ähnliche Gestalt haben. Sie können insbesondere als parallel verlaufende Rippen ausgeführt sein.

Wenn die Vorsprünge 4- auch verschiedene Querschnitte aufweisen können^ von denen einige später noch erläutert werden, so ist wichtig, daß sie, zumindest über einen Teil ihrer Höhe, sich, verjüngend ausgebildet sind, um auf diese Weise das oben erwähnte Ausschießen von Dampf von ihren Spitzen zu gewährleisten. Nach dem Beispiel der Fig. 2 sind die Vorsprünge in mfrrere Abschnitte unterteilt, in welchen sie sich in unterschiedlichem Maße verjüngen. Die Vorsprünge bestehen dabei aus einem unteren Kegelstumpf, der sich stark verjüngt, einem längeren mittleren Kegelstumpf, der sich geringer verjüngt und einem oberen Kegelstumpf, der sich wieder stark verjüngt. Die Grundflächen der VorSprünge liegen im wesentlichen aneinander. Dies ist¹ ein wesentliches Merkmal der Erfindung, da, wie dargelegt, im Gegensatz zu dem früheren Patent beim Gegenstand eter Erfindung die Vorsprünge und nicht die Rillen das Ausschießen des Dampfes bewirken. Wurden die Grundflächen der Vorsprünge voneinander getrennt, würde dadurch die wirksame Oberfläche für die Wärmeübertragung verkleinert werden und dementsprechend auch die Wärmeübertragungskapazität der Anordnung vermindert werden.

Um au erzieHen, - ■ _# daß die Vorsprünge, sobald sie unter der maximalen, d.h.. nominalen Wärmeeinstrahlung betrieben werden, in der gewünschten Weise von ihren Spitzen Dampf abachieSen und da-

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bei der erwünschte gleichmäßige Temperaturabfall auf beiden Seiten der- Vorsprünge gewährleistet ist, müssen, wie festgestellt wurde, die sich verjüngenden Vorsprünge so dimensioniert sein, daß bei Betrieb folgende Bedingungen erfüllt sind:

(1) Jeder Vorsprung muß hoch genug sein, um aufgrund der zugefuhrten Wärmedichte zwischen der Grundfläche und der Spitze des Vorsprunges das erforderliche Temperaturgefälle aufrechtzuerhalten und muß

(2) die gesamte Oberfläche der Vwrsprühge groß genug sein, um eins Abgabe des gesamten Wärmeflusses in die umgebende Flüssigkeit zu ermöglichen,

liese zwei Bedingungen können, wie nachstehend erläutert werden wird, mathematisch fsimuliert werden.

erste Bedingung ist, daß die Höhe b des Vorsprunges groß genug sein muß, daß, wenn das Maximum der zugeführten Wärmeflußdichte 0, die abgestrahlt werden soll, der Grundfläche des Vorsprunges von der inneren Seite der Wand zugeführt wird, genug Platz vorhanden ist, um zwischen der Basis 6 und der Spitze 7 des Vorsprunges das erwünschte Temperaturgefälle t₂ = t,, = Q zu ermöglichen. Diese Bedingung kann auch wie folgt formuliert werden:

b - k.cg (I)

c ist darin der Wärmeleitungskoeffizient des Materials, k ein Sicherheitsfaktor gleich «der größer als 1, der jedoch den Wert nicht erreicht. Der Wert ©, der die Teraperaturdifferenz während des Betriebes darstellt, ist dabei in Abhängigkeit von der Art

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des Materials, von der Art der Flüssigkeit und von den DruckverhäUaiissea gewählt, Dieser Wert sollte nicht wesentlich geringer als die Differenz t_T - t„ der Übergangsznne (siehe Fig. 1) gewählt werden, um zu gewährleisten, "daß ein hinreichend großes Temperaturgefälle vorhanden ist, welches eine Voraussetzung für die ordnungsgemäße Funktion des anisothermen Verdampfungs-Kühlungssystems ist. Andererseits kann 0 auch nicht wesentlich größer als die Differenz t-j- - t gewählt werden, da ansonsten die maximale Temperatur to im Metall an der Grundfläche der Vorsprünge unnötig hoch ansteigen könnte.

Für den Fall, daß als Flüssigkeit Wasser bei atmosphärischem Druck gewählt ist, könnten, wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, diese zwei Grenzwerte für Q mit 80° C und 125 C angegeben werden. Es werden auch noch dann zufriedenstellende Resultate erreicht, wenn die Temperaturdifferenz Q, /heißwasser unter normalem, atmosphärischem Druck, nur 50° S beträgt. Ist die Verdampfungsflüssigkeit nicht durch Wasser gebildet und bzw. oder steht sie unter Druck, so kann die Temperaturdifferenz Q, wie später noch näher erläutert werden wird, auch Werte annehmen, die außerhalb des Bereiches von RO⁰ C bis 125° C liegen.

Pie zweite oben erwähnte Bedingung wird aus dem Laplace'sehen Gesetz der Erhaltung des Flusses, der durch die Vorsprünge hindurchgeht, gewonnen.

Der Gesamtbetrag der Wärme, der in der Zeiteinheit, durch die Grundfläche 9 des Vorsprunge3, wie durch den Pfeil 10 angedeutet ist, eindringt, muß gleich dem Gesamtbetrag an Wärme sein, welcher,

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wie durch den Pfeil 8 angegeben ist, von den Oberflächen der Vorsprünge an die umgebende Flüssigkeit abgegeben wird. Der Gesamtbetrag der Wärme, der durch die Grundfläche des Vorsprunges eintritt, ist mit s 0 gegeben, wobei s_Q die Größe der Grundfläche 9 ist. Der Gesamtbetrag der Wärme, der von der Oberfläche der Vorsprünge abgegeben wird, ist mit s^i. gegeben, wobei s,j die Gesamteberfläche der Vorsprünge und ψ* die Flußdichte der abgehenden Wärme oder der Mittelwert des Wärmeabflusses, bezogen auf die Flächeneinheit der Oberfläche eines Vorsprunges ist. Die Größe ψ* ist nachstehend noch näher erläutert.. Die zweite Bedingung muß somit besagen, daß die Gesamt ob er fläche S/i groß genug sein muß, um durch sie hindurch ein Ausströmen der gesamten Wärme im Betrag ψ* zu ermöglichen, sobald die Wärme im angegebenen nominalen Betrag 0 durch die Grundfläche mit der Ausdehnung s_ in den Vorsprung eindringt. Diese Bedingung kann

Cl

durch folgende Formel dargestellt werden:

^sa ΎΛ

Die abgehende Wärmeflußdichte ψ. erscheint in der Kurve der Fig.1 als der Mittelwert der Flußdichte des maßgeblichen Temperaturbereiches tg — t^j, wobei die modifizierte Wärmeübertragungskurve E zugrundegelegt ist. Somit ist der theoretische Wert für ^ durch folgende Formel gegeben:

dt

t_? - t
^ ' ^t (Kurve R)

In der Praxis und da es keine Methode gibt ÖL durch die Temperaturen t^ und t₂ zu bestimmen, hat es sich als hinreichend er-'wiesen, den Wertify durch die Flußdichte q,in Übereinstimmung mit

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dem kritischen Punkt der Nukiyama-Kurve anzugeben und wie folgt zu kennzeichnen:

- pq

worin ρ ein numerischer Faktor ist, der im Bereich 0,8 bis 1,6 (im allgemeinen nahe 1) liegt, er wird später noch eingehender diskutiert werden, während q, der Wert der kritischen Flußdichte, von der Art und den Druckverhältnissen der verwendeten Flüssigkeit abhängt und entsprechenden Standardwerken entnommen werden kann (q = 135 W/cm für Wasser bei atmosphärischem Druck).

Die obige Bedingung kann somit wie folgt umgeformt werden:

Ss sei bemerkt, daß die Werte b, s_a, s^, c und Θ, 0 und q in den Gleichungen (I) und (II) in jedem beliebigen einheitlichen Maßsystem angegeben werden können.

Es ist zu bemerken, daß der Koeffizient k in den Gleichungen (I) und (II),'unter idealen Bedingungen, gleich der Einheit gewählt werden kann« Daß k normalerweise größer als 1 gewählt wird, liegt darin begründet, einen gewissen Sicherheitsfaktor zu. erhalten, um ünsicherheitsfaktoren wie eine schadhafte Oberfläche der Anordnung, eventuelle Überladungen im Betrieb u.dgl, zu berücksichtigen. Wird k etwas größer als 1 gewählt, so bedeutet dies, daß die Vorsprünge etwas größer ausgebildet sind ais unter idealen Bedingungen unbedingt notwendig wäre, wodurch die Betriebssicherheit der Anordnung, nicht jedoch deren Wirksamkeit, erhöht wird. Eine obere Grenze des Sicherheitsfaktors k ist im wesent-

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lichen durch bauliche und wirtschaftliche Überlegungen gegeben. Es wurde in der Praxis gefunden,daß eine solche obere Grenze vorteilhafterweise mit dem Wert 2 angenommen werden kann. Die Höhe b des Vorsprunges und das Verhältnis der Flächen s^/e^ über das zweifache theoretische Minimum zu vergrößern, würde nicht nur sinnlos sein, da dadurch die Wärmeabgabekapazität der Anordnung nicht verbessert würde, sondern würde unwirtschaftlich sein und die Temperatur tp erhöhen.

In Fig. 3 ist eine einfache, vorteilhafte Ausführungsform nach der Erfindung angegeben, in der die Vor Sprünge im Querschnitt dreieckig ausgebildet sind und ihre Grundflächen aneinanderliegen. Auch hier wieder können die Vorsprünge als Pyramiden mit quadratischer Grundfläche ausgebildet sein und in zwei aufeinander senkrechten Reihen stehend angeordnet sein oder sie können, was an sich vorzuziehen ist, als längliche, zueinander parallel stehende, prismatische Rippen ausgebildet sein.

Die zweite Bedingung (II) kann dann in etwas spezifizierter Form geschrieben werden. Unter Verwendung der Größen, die in Fig. 3 aufscheinen, ergibt sich folgende Beziehung:

s_Q a sinot

wobei die Größe r in der gleichen Einheit ausgedrückt ist wie die Größe b.

Diese Beziehung gilt sowohl für den Fall, in dem die Vorsprünge dreieckige Prismen, wie auch in dem sie Pyramiden mit quadrati-

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scher Grundfläche sind. Sie gilt deshalb auch für den letzteren Fall, da alle vier dreieckigen Seitenflächen einer derartigen Pyramide eine Fläche aufweisen, die mit ab/sinae, gegeben ist, sodaß die gesamte Oberfläche s^ = 4-ab/sinac und die Grundfläche s_ = 4a² beträgt.

Die Beziehung (II) wird somit zu
b _k SL

_k
pq

sinockann hierbei der Einfachheit halber den Wert 1 annehmen, da das Verhältnis der Flächen 3^,/s in einem Hochleistungs-

I ÖL

system relativ groß ist und der WinkelCX in der Größenordnung von 60° liegt. Eine derartige Annäherung bedeutet nur, daß der Sicherheitsfaktor etwas geändert wird. Die sich daraus ergebende vereinfachte Gleichung lautet wie folgt:

Es ist klar, daß die Gleichungen (I) und (II) oder (I) und (III) nach der Erfindung alternativ als unatiängige Ungleichungen geschrieben werden können, die die möglichen Werte für die Größen b und s^/s oder b und a angeben. Daraus ergibt sich, daß die Gleichung (I) wie folgt umformuliert werden kann:

c-§£h£tc| (P)

Wird die Größe b aus den Gleichungen (I) und (III) eliminiert, so nimmt die letzte Ungleichung folgende Form an:

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Biese Beziehungen liefern somit eine brauchbare Hilfe, die Höhe b und den Abstand 2a der dreieckigen Vorsprünge, die f up irgendwelche vorgegebene Bedingungen benötigt werden, anzugeben.

Es sei bemerkt, daß im Falle des dreieckigen Querschnittes, der in Pig. 3 dargestellt ist, wobei die Vor Sprünge, wie oben an-

£er Wärmeabgabe gefeeben, prismatische Rippen sind, die Flußdichte/m,. - ρ q über

^ die länge 1 der Seitenflächen der Rippen gleichförmig ist, wodurch auch das Temperaturgefälle entlang der Seitenfläche gleichförmig ist. Die Flußlinien 11 der der Basis des Dreiecks zugeführten Wärme werden über die geneigten Seitenflächen der. Rippen gleichmäßig verteilt, wobei die Temperatur längs dieser Seitenflächen linear von t₂ auf t^. abfällt. Da gerade diese gleichmäßige Temperaturverteilung erwünscht ist, ist die dreieckige Ausbildung der Vorsprünge eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

* Aus fertigungstechnischen Gründen ist es wünschenswert, die

Kanten an der Basis und die Spitze der Vorsprünge, wie dies in Fig, 4 der Zeichnung dargestellt ist, abzurunden. Die Dimensioiasverhältnisse beziehen sich dabei auf die Kontur, die durch die Verbindungslinien der Mittelpunkte der Abrundungskurven 12 und 13 an der Basis und der Spitze des Vorsprunges definiert ist und die durch strichlierte Idnien dargestellt ist. Die Abrundungen der Ecken vermindern allerdings die Bereiche, .über welche der erwünschte Temperaturabfall verteilt werden kann. Da jedoch die Größe b der eben angegebenen Formeln zwischen den Mittel-

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punkten der Kurven 12 und 13 gemessen ist, wie aus der Fig. ersichtlich ist, ist die effektive Höhe des Vorsprunges tatsächlich etwas größer als durch deii theoretischen Wert gegeben und wird somit durch diese Vergrößerung der effektiven Höhe des Vorsprunges der Verlust an Oberfläche kompensiert sowie ist, obwohl die Ecken abgerundet sind, der notwendige Abstand zur Ausbildung des Temperaturgefälles gegeben.

Anhand der Pig. 5 wird nunmehr die Wirkungsweise der wärmeverteilenden Vorsprünge nach der Erfindung näher erläutert. Da die Vorsprünge derart dimensioniert sind, daß die Bedingung entsprechend der Formel (I) eingehalten ist, weisen bei nominalen Betriebsbedingungen, die zumindest annähernd an das Maximum der Wärmeausstrahlung herankommen, die Basis und die Spitze der Vorsprünge die Temperaturen t~ und t. auf, wobei t^ - t^ = G ist. Da dieser Temperatur abfall ö derart gewählt ist, daß dies erzielt wird, liegt die Temperatur t^ der Spitze geringfügig unterhalb der Temperatur des kritischen Punktes M (Fig. 1). Die Temperatur t- der Spitze liegt somit in der Zone "Β^π des nucleaten rvder Blasensiedens, vorzugsweise nahe der oberen Grenze dieser Zone, in der die Dampfblasen die Tendenz zeigen, sich zu großen Blasen zu vereinigen, in der sog. Verschmelzungsz<->ne. Da dies für die Seiten der Vorsprünge beiderseits der Spitze gilt, bilden sich an den oberen Enden beider Seitenflächen der sich verjüngenden Vorsprühge große Dampfblasen aus, die eine Dampf säule 14- bilden, welche von der Spitze des Vorsprunges mit starker Kraft abgeblasen wird. Diese Dampfsäule hat den Effekt, in der die VorSprünge umgebenden Flüssigkeit sozusagen Löcher zu bohre

Gleichzeitig hat sich auf der gesamten Oberfläche der Vorsprünge ein zwischen der Temperatur to* welche normalerweise der Ißidenfrost-Temperatur tr angenähert ist, an der Basis und der Temperatur t- der Spitze, welche Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur t\, liegt, liegendes Temperaturgefälle ausgebildet. Aus diesem Grunde ist, wie bei einer Seite eines Vorsprunges in Fig. 5 gezeigt, ein wesentlicher Bereich jeder Oberfläche dem Übergangs- oder "semi-film'.'-Sieden ausgesetzt, die Siedeart die durch die Zone C der Fig. 1 erfaßt ist, wogegen ein geringerer Bereich der Oberfläche, und zwar der an der Spitze liegende, dem Verschmelzungsblasensieden, erfaßt durch die Zene B, ausgesetzt ist. Die Temperatur der Grenze dieser beiden Bereiche entspricht der Temperatur des kritischen Punktes M.

Die intensive lokale Wirbelbildung, infolge der oben erwähnten

an
Dampfsäulen 14-,/den oberen Teilen der Vorsprünge, trägt zur Aufrechterhaltung des stabilen Temperaturgefälles bei, da durch sie der Rand des Dampf filmes, welcher sich sonst beim kritischen Punkt M bilden und.eine Trennung zwischen dem Übergangssieden der Zone C und dem nucleaten Sieden der Zone B bewirken wir de, aufgerissen wird. Auf diese Weise wird zwischen diesen beiden Bereichen der erwünschte Übergang erzielt, der, wie früher angegeben ist, eine unbedingte Voraussetzung für die Aufrechterhaltung eines stabilen Temperaturgefälles ist.

Physikalisch wird dies im Punkt M dadurch erzielt, daß durch das dauernde Aufreißen des sich an diesem Punkt bildenden Bampf-

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filmes ein Aueströmen dieses Dampffilmes 15 der Übergjangszone C,durch das nucleate Sieden der Zone B hindurch zu den Bohrungen, die durch die Dampf säulen 14 gebildet werden, ermöglicht ist. Der Dampffilm 15 wird somit in der Zone C dauernd zerstört und kann -o . . die enge Berührung zwischen der Flüssigkeit 16 und der metallischen Oberfläche 17 des Vorsprunges nicht behindern. Auf diese Weise werden somit diejenigen Bedingungen erzielt, welche früher als unbedingt notwendig und hinreichend angegeben wurden, um zu gewährleisten, daß der Prozeß der erhöhten Wärmeübertragungskurve R der Fig. f folgt, wodurch der Vorteil der Stabilität und der wesentlich verbesserten Wärmeübertragung erzielt wird.

Es mag ein Vergleich zwischen der Fig. 5 und der Fig. 5a, welche der Fig. 4 des früheren Patentes entspricht, von Interesse sein, da dadurch sowohl die Gleichartigkeiten mit dem als auch die Unterschiede zu dem früheren Patent aufgezeigt werden können. In beiden Fällen können über den ganzen Bereich der Wände des Wärmestrahlers stabile Temperaturgefälle aufrechterhalten werden. Alle Seitenwände weisen stetige Sätze von Punkten auf, die beide Arten des Siedens auf beiden Seiten der kritischen Temperatur des Punktes M umfassen.. In beiden Fällen erfolgt somit die Wärmeübertragung vom Metall zu der.Flüssigkeit in Übereinstimmung mit der verbesserten, sog. totalen Wärmeübertragungskurve R. Auch ist in beiden Fällen ein gleichmäßiges Benetzen der Oberfläche der Wand mit Flüssigkeit ermöglicht, ohne daß die zwischen den Vorsprüngen liegenden Kanäle mit Dampf erfüllt werden.

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Bei der früheren Anmeldung werden diese Verhältnisse durch das Ausströmen ton Dampf aus den äußeren Enden oder Mündungen der zwischen den Vorsprüngen liegenden Rillen oder Kanäle, das von Wirbeln begleitet ist, bewirkt, wobei dafür die beiden Seiten eines gemeinsamen Kanals zusammenwirken« In der vorliegenden Erfindung sind wesentlich gleiche Verhältnisse ermöglicht, allerdings durch das Strömen von Dampf von den Spitzen der Vorsprünge, das von den Wirbelströmungen begleitet ist und welches durch das Zusammenwirken der Oberflächen eines gemeinsamen Vorsprunges bewirkt ist.

Daraus ergibt sich, daß im vorliegenden Fall die Dimensionie-, rung der Vorsprünge und nicht die der Rillen wesentlich ist und daß keine engen schlitzartigen Rillen verwendet werden brauchen.

Die Vermeidung von engen, achlitzartigen Kanälen oder Rillen zwischen den Vorsprüngen erleichtert nicht nur die Herstellung der Anordnung, sondern ermöglicht auch die Erzeugung von Anordnungen kleinerer Abmessungen, Weiters ist auch die Zirkulation der Flüssigkeit verbessert, Sie in dem genannten früheren Patent dargelegt ist, besteht die Flüssigkeitszirkulation zusammen mit dem Wirken der engen Rillen darin, daß von den Mündungen der Kanäle ein radiales Ausströmen des Dampfes erfolgt und gleichzeitig von den Enden der Kanäle her Flüssigkeit einströmt «

Beim Gegenstand der vorliegenden Anmeldung bildet sich ein andersgearteter Strömungsverlauf aus. Dieser Verlauf ist durch ein radiales Abströmen des Dampfes von den Spitzen der Vorsprünge

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und ein gleichzeitiges radiales Einströmen der Flüssigkeit zwischen den äußerea, radialen Enden der Erhöhungen, wie dies durch den Heil 30 dargestellt ist, gegeben. Durch einen derartigen Strömungsverlauf wird eine ruhige Flüssigkeitsströmung mit ausgeprägten und getrennten Pfaden für das Einfließen der Flüssigkeit und das Abströmen des Dampfes gewährleistet, wobei eine Verschmelzung von großen Dampfblasen am Grunde der Kanäle, weiche das Zufließen der Flüssigkeit dorthin stören würden, vermieden ist. Dieser Nachteil ist bei der Anordnung des Anmelders, nach dem früher erwähnten Patent, aufgetreten.

Aufgrund der Tatsache, daß das axiale Zufließen in die Kanäle bei der Anordnung nach der Erfindung im wesentlichen vermieden ist, ist es weniger wichtig, transversale Rillen für das Einströmen der Flüssigkeit in die Kanäle vorzusehen, wie dies im früheren Patent notwendig war und können die Vor Sprünge als durchlaufende Rippen, die sich über die ganze axiale länge der Anordnung erstrecken, ausgebildet sein,

Ia manchen Fällen scheinen jedoch auch solche transversale Kanäle günstig zu sein, da sie sowohl Wirbelströmungen erzeugen als auch das Gewicht der Struktur vermindern. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, sind dort die rippenartigen Vorsprünge 4, welche einen Querschnitt aufweisen, der in den Fig. 3 und 4- dargestellt ist, durch Kanäle 19, die über dieLänge, voneinander im Abstand liegend,, vorgesehen sind, unterbrochen. Der Abstand d zwischen diesen Querkanälen überschreitet geringfügig die Breite der Basis 2a der Vorsprünge. Diese quer verlaufenden Kanäle 19 wei sen vorzugsweise ein V-Profil auf, wobei ihre Flanken, wie in

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Pig. 3 dargestellt, mit der Horizoutalebene einen Winkel einschließen.

Wie in einer früheren Anmeldung des Erfinders, die sich ebenfalls auf anisotherme Dampfkühlungssysteme bezieht (US-Patentanmeldung Ser.No, 25 794·, eingereicht 29.4.1960), dargelegt wurde, hat es sich in vielen Fällen vorteilhaft erwiesen, die Kapazität der Wärmeabstrahlung der Endteile der Vorsprünge im Vergleich zum Haupttei} der Vorsprünge zu vergrößern. Diese Verfeinerung kann auch, wie z.B. anhand der Fig. 7 und 8 gezeigt ist, auf die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung angewandt werden.

Der Vorsprung 4 nach Fig. 7 weist einen im wesentlichen dreieckigen Querschnitt auf, wobei die Dimensionen wie früher dargelegt, gewählt sind. Zudem sind die Spitzen mit Ansätzen 20, 21 versehen, die dadurch gebildet sind, daß die rippenartigen Vorsprünge mit im Abstand voneinander und quer zur Iängsrichtung stehenden, von den Spitzen ausgehenden Einschnitten versehen sind, wobei die Spitzenteile vorzugsweise nach entgegengesetzten Richtungen abgebogen sind. Auf diese Weise wird, wie in dem letztgenannten Patent dargelegt ist, die Wärmeabstrahlungsfläche an der Spitze vergrößert und deren Temperatur herabgesetzt, was auf das Wärmegefälle ebenfalls einen stabilisierenden Einfluß ausübt.

In der Ausführungsform nach Fig. 8 wird ein ähnliches Resultat dadurch erzielt, daß ein außenliegender Teil 24· der Spitze 4-gleichbleibende Stärke aufweist, also nicht verjüngt ist. Die

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Stärke dieses Teiles 24 soll dabei eine Größe aufweisen, die kleiner ist als die halbe Weite der Basis 2a des Vorsprunges, wodurch der Vorsprung, in Übereinstimmung mit der Erfindung, noch über einen wesentlichen Teil seiner Höhe verjüngt ausgebildet ist. Es hat sich gezeigt, daß durch eine derartige Vergrößerung des äußeren Teiles £4 des Vor Sprunges ein hinreichendes Abschießen des Dampfes von der Spitze, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, nicht behindert ist.

Anstelle oder zusätzlich zu den Abänderungen, die in den Fig. und 8 dargestellt sind, können die Oberflächen der äußeren Teile der Vorsprünge auch aufgerauht sein, um dadurch die relativen Wärme uberleitungsflachen noch weiter zu erhöhen und bzw. oder können auch die einem ähnlichen Zweck dienenden, .in dem o.a. Patent dargelegten Vorkehrungen getroffen werden. Wenn die Wärmeverteilunfesflache an der Spitze der Vorsprünge, wie dies oben dargelegt ist, vergrößert ist, kann der Sicherheitsfaktor k vorzugsweise ziemlich groß, d.i. zwischen den Werten 1,5 und 2 gewählt werden.

Nachstehend werden nunmehr einige Angaben betreffend die Parameter, welche in den Beziehungen nach der Erfindung aufscheinen, gemacht. Der Faktor ρ ist gleich dem Verhältnis <&/<!» nämlich der tatsächlich auftretenden Dichte der Wärmeabgabe und der mittleren kritischen Flußdichte, wie sie durch die Nukiyama-Kurve angegeben wird. Wie schon früher angegeben wurde, kann die kritische Flußdichte q für verschiedene Flüssigkeiten und für beliebige Druckverhältnisse aus verfügbaren Tabellen entnommen oder

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-ιΓΊι ■'

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aus Formeln, z.B. der Kutadeladze-Formel abgeleitet werden. Der Paktor ρ ist seiner Natur nach ein Wirkungsgradfaktor, Er kann normalerweise, soferne die obere Temperatur t₂, die Temperatur der Basis der Vorsprüoge, nahe dem Leidenfrost-Punkt liegt, gleich der Einheit gewählt werden, wird aber vote ugsweise leicht darunterliegend, z.B. mit 0,i» oder 0,9 gewählt, wenn das genannte Maximum der Temperatur t₂ oberhalb der Leidenfrost-Temperatur tjk liegt. Für den Fall, daß der Temperaturgradient 0/b, der sich im Betrieb längs der Flanken der Vorsprünge ausbildet, relativ groß ist, z.B. größer als 200° C/cm, wurde gefunden, d$ß der Wirkungsgradfakter ρ größer als 1 gewählt werden kann und dabei auch den überraschend hohen Wert · von 1,5 bis 1,6 annehmen kann. Trotzdem liegt der bevorzugte Bereich des Wirkungsgradfaktors zwischen den Werten 0,8 und 1,2. Die Abweichung des Wirkungsgradfaktors von seinem üblichen Wert 1 ist eine F*lge der Tatsache, daß der wahre Wert der Flußdichte der abgehenden Wärme φ^₉ tatsächlich eine Funktion des Temperaturabfalles t₂ - t^ = 0 ist, wie das durch die Integralgleichung (3) ausgedrückt ist, und nicht eine konstante Größe, wie dies der Einfachheit halber zur Verwertung der Erfindung in den Beziehungen angenommen i»t.

Zur Bestimmung des betriebsmäßigen Temperaturabfalles 0 = t« - t* kann die tiefere oder die Temperatur an den Spitzen, bei den gewählten Druckverhältnissen normalerweise, gleich der Sättigungstemperatur t_s der Kühlungsflüssigkeit, d.i. t. « 100° C, srferne als Flüssigkeit Wasser gewählt ist und atmosphärischer Druck herrscht, angenommen werden, wodurch 0 = t_o - t_A ist.

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Die höhere oder die Temperatur t« *^er Basis sollte, wie aus früheren Erläuterungen 2u entnehmen ist, nahe dem Ieidenfrost-Punkb t-^ (das ist 225° C für Wasser bei normalem Druck) liegen. Wenn t₂ zu hoch oberhalb des leidenfrost-Punktes gewählt wird, nimmt der Mittelwert von φ* ab. Normalerweise wird der TemperaturabSOLl O in einem Bereich zwischen 50° O und 150° C liegen.

Wasser bei Normal4druck liegt ein bevorzugter Bereich f ür Q zwischen 80^r C und 120° C,

Durch die Erfindung ist es ermöglicht, erfolgreich wesentlich höhere Beträge an Wärme abzuleiten als dies mit Hilfe von bisher bekannten Anordnungen möglich war. Insbesondere können auch Beträge von 0 mit.den bemerkenswert hohen Werten von 1000 W/cm abgeleitet werden. Obgleich die Erfindung selbstverständlich auch für Anordnungen mit niederen und mäßigen Werten der auftretenden Wärme, mit Ausnahme von ganz bestimmten Anwendungen, von denen später noch gesprochen sein wird, verwertet werden kann, besteht dennoch nur geringes Interesse sie bei solchen Kühlungssystemen anzuwenden, deren anfallende Wärme den Wert von 200 W/cm nicht überschreitet. In Werten der kritischen Flußdichte q. ausgedrückt bedeutet dies, daß die Anwendung der Erfindung für Kühlungszwecke bei auftretender Wärme mit einer Flußdichte 0, die im Bereich von 1,5 q bis 6 q liegt,von besonderer Bedeutung ist. Es ist klar, daß für größere Wärmemengen der Wert von q vorzugsweise durch Vergrößerung des Druckes, dem die Flüssigkeit unterworfen ist, erhöht werden kann.

Die Verdampfungsflüssigkeit kann sich im allgemeinen im Gehäuse der Wärmeableitungsanordnung insoweit in Ruhe befinden als nur

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— yo —

eine durch die Wärmedifferenzen bedingte Zirkulation auftritt. Es können aber auch Mittel vorgesehen werden, um eine Zirkulation der Flüssigkeit zu erzwingen. Soferne große Inordnungen vorliegen und hohe Wärmemengen anfallen, wird* die Flüssigkeit
vorteilhafterweise zirkulieren gelassen, wobei vorzugsweise gleichzeitig auch der Brück erhöht wird. Die Strömung ist dabei so gering gehalten, daß ein größerer Teil des Dampfes, der gebildet wird, kondensiert wird. Dadurch wird auch das radiale Einströmen der Flüssigkeit in die zwischen den Vorsprüngen liegenden Kanäle, wie dies oben dargelegt wurde, erleichtert.

Nachstehend sind einige Beispiele mit entsprechenden Zahlenangaben für erfindungsgemäß verbesserte Dampf bnählungs sy sterne angeführt.

Beispiel 1:

In einer Kühlungs an Ordnung geringer Leistung für einen Dies el-

motor war es notwendig Wärme mit der Flußdichte von 0 = 250 W/cm abzuleiten. Es wurden dabei Gußeisen als Wandmaterial und natürlich zirkulierendes Wasser als Verdampfungsflüssigkeit gewählt, wobei atmosphärischer Druck herrschte. Bei Verwendung von rippenartigen Vorsprüngen mit, in Fig. 3 dargestellten, dreieckigen Querschnitten, einem Temperatur abfall 0 « 100 C, einem Wirkungsgradfaktor ρ = 1 und unter Berücksichtigung, daß die Wärmeleitfähigkeit von Gußeisen mit c = 0,5 W/cm° C gegeben ist, ergab
die Anwendung der Gleichungen (I) und (II) oder (III) für einen Sicherheitsfaktor von k = 1,5 folgende Werte:

b = 0,3 cm und 2a - 0,22 cm.

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Wenn der !Faktor sinoeeingesetzt wird, kann die Größe 2a bis auf 0,25 cm ansteigen,

Beispiel 2:

In einer Eühlungsan«rdjiung für eine Hochleistungs-Vakuumröhre

p mit einer Leistung von 170 kW und einer Anodenfläche von 155 cm ergab SiCh₁ die Notwendigkeit, 1100 W/cm über ein großes Gebiet zu verteilen» Es wurde dafür eine Wärmeableitungsanordnung aus Kupfer (c * 3,7 W/cm° C), mit erzwungener Wasserzirkulation und einem Druck von 3_f5 atm vorgesehen« Dabei wurden weiters rippenartige Vorsprünge mit im wesentlichen dreieckigem Querschnitt angeordnet. Aufgrund der erzwungenen Strömung der Flüssigkeit und der Rekondensierung des Dampfes konnte ein großer Temperaturabfall ven 0 = 150° C zugelassen werden. Die Gleichung (I) lieferte für die Höhe b der Vorsprünge folgenden Wert:

b = k . 3,7 . ^_n = 0,5 k

Da vorausgesetzt wurde, daß die Anordnung während des Betriebes auch kurzzeitige, beträchtliche Überladungen aufnehmen soll, wurde in diesem Beispiel der Sicherheitsfaktor mit k «= 2 angenommen. Daraus ergab sich für die Höhe der Vorsprünge folgender Wert:

b«" 0,5 . 2 = 1 cm

Für den Druck des Verdampfungsmediums (3,5 atm) ergab sich bei Wasser für die kritische Flußdichte q, wie z.B, aus der bekannten Katadeladze-Formel zu bestimmen ist, der Wert . = q = 300 W/cm ⁰C. Der Wirkungsgradfaktor ρ ist in diesem Fall nahe seiner oberen Grenze gewählt, da ein hohes Temperaturgefälle

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auftritt und die Kondensation bei einer Strömung von unterkühltem Wasser einen begünstigenden Einfluß.ausübt. Aus diesem Grunde wurde für ρ der Wertj1,5 gewählt. Aus der Gleichung (III^f) ergibt sich somit für die Breite der Basis eines Vorsprunges der Wert 2a = 0,37 cm.

Wie Versuche ergeben haben, waren Anordnungen, die in Übereinstimmung mit diesem Beispiel bestimmt wurden, ohne Schwierigkeit in de$r lage., die angegebene Wärmeleistung unter stetigen Betriebsverhältnissen auch bei zeitweisen Überladungen verläßlich aufzunehmen, was durch den hohen Wert des Sicherheitsfaktors k = 2 ermöglicht war. Die Betriebscharakteristiken dieser Anordnungen sind insoferne im Vergleich zu bisher bekannten Kühlungsanordnungen besonders bemerkenswert als der Wärmewiderstandiiei einem Nennwert der Plußdichte von mehr als 1 kW/cm , unter Verwendung von Wasser mit einer relativ geringen Zirkulation (weniger als 0,5 l/min pro KW übertragener Wärme) und begrenzte Druckverhältnissen von, wie oben angeführt (3,5 atm) nur 0,2° C cm²/W beträgt.

Ein besonderer Vorteil der Anordnung nach der Erfindung ist darin zu sehen, daß sie einen hohen Grad von Selbstreinigung aufweist, da sie jederzeit sämtliche Ablagerungen oder Krusten, die sich sonst insbesondere bei hartem Wasser bilden, sofort beseitigt.

Andere Beispiele:

Wärme leitungs anordnungen nach der Erfindung sind über einen weiten Bereich von Bedingungen anwendbar, wobei auch die Vor-

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sprünge oder Zähne in ihren Dimensionen stark verändert werden können. Aus diesem Grunde wird bei schwach wärmeleitfähigen Materialien, wie z.B. rostfreiem Stahl (c = 0,2 W/cm⁰ C), der Wert b, bei einem Temperaturabfall θ im bevorzugten Bereich und einer nominalen Flußdichte 0 in der Größenordnung von 500 W/cm an der Wärmeaufη ahmefläche geringer als 0,1 sein, ßolche Anordnungen sind z.B. für Dampffeeneratoren, die siedendes Wasser unter hohem Druck, z.B. 70 atm, das eine.SättigungsteraperaEur t von 285° C aufweist, gut verwendbar.

Anordnungen nach der Erfindung können auch gut in chemischen Verfahren, z„B. als Verdampfer von Flüssigkeiten (z.B. Chlor-Trifluorverbindungen) verwendet werden, die eine geringe chemische Stabilität und schlechte Wärmeübertragungseigenschaf ten aufweisen, sowie bei welchen eine sehr geringe kritische Flußdichte q vorliegt und die infolgedessen nur sehr geringe Temperaturabfälle, z.B. θ = 20 ^ö O, erlauben. Für solche Zwecke könneidaach den Merkmalen der Erfindung Verdampfer aus rostfreiem Stahl entworfen werden, die bei einer Wärmeübertragung.— von 10 W/cm betrieben werden, wobei die Höhe der Vorsprünge mit b = 0,5 cm gegeben ist.

Es ist klar, daß unter den Betriebsverhältnissen mit geringen eintretenden Wärmemengen, wie dies in diesem Beispiel der Fall ist, die Gleichung (I) von besonderer Bedeutung ist, wogegen die Gleichungen (II) oder (III) relativ uninteressant sind.

Im allgemeinen Fall hingegen und insbesondere bei hohen Wärmeleistungen, auf die sich die vorliegende Erfindung im wesent-

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lichten bezieht, sind die angegebenen Beziehungen von großer Bedeutung. Wenn diesen angegebenen Bereichen nicht gefolgt wird, zeigt sich, daß die angegebenen Werte hoher Wärmeüber~ tragung nicht zu erreichen sind.

Es mag weit er s noch von Interesse sein auszuführen, daß die Eliminierung der nominalen Flußdichte 0 aus den Gleichungen (1) und(III) zu folgender Gleichung führt:

welche in ihrer Form der Gleichung
b = m v/ ac

ähnlich ist, die in einem erwähnfcen Batent des Anmelders angegeben ist. Es ist daraus zu erkennen, daß diese Gleichung in ihrer Art insoferne als grundlegende Formel anzusehen ist, als sie die Betriebsverhältnisse aller anisothermen Verdampfungswärme Übertragungsanordnungen des Anmelders bestimmt, gleichgültig, ob diese mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmen oder nicht» Es ist allerdings klar, daß die Beziehungen (I), (II) und (III) der vorliegenden Erfindung keinesfalls aus einer alleinigen Betrachtung der grundlegenderen, früher angegebenen Gleichung gewonnen werden können.

Zusammenfassend sei bemerkt, daß die vorliegende Erfindung auf der Entdeckung des Anmelders basiert, daß der Wärme überfeang zwischen einer Oberfläche und einer siedenden Flüssigkeit unter bestimmten Bedingungen einem Wärmeübertragungsgesetz folgt, das in der sog. Ubergangszone von dem klassischen Gesetz,

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das durch die Nukiyama-Kurve gegeben ist, wesentlich abweicht, Dieses neue Gesetz ist inso-ferne besonders vorteilhaft als es sowohl stabile Betriebsverhältnisse als auch höhere Werte der Wärmeleitung zuläßt. Durch den Gegenstand der Erfindung werden unter anisothermen Betriebsverhältnissen wirkende Wärmeübertragung sanordnungen angegeben, in welchen die Vorsprünge derart dimensioniert sind, daß nahe oder am Maximum der nominalen Beträge der Wärmezufuhr die Vorsprünge die Wirkung haben, von ihren Spitzen mit großer Stärke Dampfstrahlen abzublasen. Soferne diese Betriebsverhältnisse vorherrschen, wird das neue Gesetz der Wärmeübertragung für die Flächen der einzelnen Vorsprünge wirksam. Diese Wärmeübertragung ist im Betrieb sowohl wirksamer als aucbfrerläßlicher als bisher bekannte.

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Claims (11)

1. Pat entans prücite

   Λ J Anordnung zur Wärmeübertragung unter aniscthermen Verhältnissen, bestellend aus einer Wand aus wärmeIeitfähigem Material, auf deren einer Seite eine Wärmequelle vorgesehen ist und deren andere Seite, die einer verdampfungsfähigen Flüssigkeit ausgesetzt ist, mit Vorsprüngen versehen ist, deren Seitenwände, während des Betriebes der Wärmequelle, starke Tempe- £ raturgefälle aufweisen, dadurch, gekennzeichnet, daß die Vorspringe, zumindest über einen wesentlichen Teil ihrer Höhe, sichvergüngend ausgebildet sind und mit ihren Grundflächen aneinanderstoßen, wobei folgende Beziehungen gelten:

   b = k.c| (I)

   ^l - k -£- ΠΙ)

   s_a - ^k'pq * ^CIi;

   wobei b, s_a und s^ die Höhe, Grundfläche und Oberfläche eines Vcrsp ranges,
   P c der Wärmeleitungskoeffizient des Materials,

   q die kritische Flußdichte der Wärmeübertragung der siedenden Flüssigkeit bei Betriebstemperatur,

   Q der festgelegte Temperaturabfall zwischen der Grundfläche und der Spitze eines Vorspiunges, während des Betriebes und

   0 der Nennwert des Maximums des Wärme flusses, der auf die an die Wärmequelle anliegende Seite der Wand abgegeben wird sind, welche Werte in einem beliebigen, einheitlichen Maßsystem wählbar sind sowie

   ρ ein numerischer Faktor des Wirkungsgrades ist, der innerhalb des Bereiches 0,8 bis 1,6 wählbar ist.

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2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge, in&iner normal zur Wand stehenden Ebene, dreieckigen Querschnitt aufweisen und für ihre Abmessungen folgende Beziehungen gelten;

   c.|iba2c| _i (I·)

   ^£ a £ 1,6^*%^ , (III·)

   ir

   wobei neben den schon definierten Größen die Größe a die halbe. Breite der Basis des Dreiecks bedeutet,
3. 3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge als parallele Rippen ausgebildet sind und gleiche Querschnitte aufweisen.
4. 4-» Anordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die VorSprünge pyramidenartig ausgebildet und in aufeinander senkrecht stehenden Reihen angeordnet sind»
5. 5» Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge an den Basiskanten und an den Spitzen abgerundet sind, wobei die obigen Bedingungen durch die Verbindungslinien der Mittelpunkte der Krümmungskurven erfüllt sind.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen mit im Abstand voneinander liegenden und parallel verlaufenden Ausnehmungen versehen sind, die zu den Rippen im rechten Winkel stehen,

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7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor Sprünge an einem außenliegenden Teil über einen Bereich, der sich über maximal ihre halbe Höhe erstreckt, verändert ausgebildet sind, wodurch die Berührung ihrer Oberfläche mit der Flüssigkeit verbessert ist,
8. 8* Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,- dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenz einen Bereich von unterhalb der kritischen Temperatur t« der Flüssigkeit bis zu einer Temperatur nahe dem Leidenfrost-Punkt umfaßt.
9. 9» Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenz den Bereich 50 C bis 150° C umfaßt.
10. 10, Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit Wasser verwendet wird, normale Druckverhältnisse vorherrschen und die Temperaturdifferenz durch den Bereich von 80° C bis 120° C gegeben ist.
11. 11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Nennwert der Wärmeflußdichte im Bereich von der 1,5-fachen bis zur 6-fachen kritischen Flußdichte q liegt.

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