DE3439300C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Wärmetauscher und insbesondere Wärmetauscher, die zum Sieden eines verflüssigten Gases, wie flüssigem Sauerstoff, in einem Aufkocher/Kondensator einer Lufttrennungsanlage geeignet sind.

Eine wirkungsvolle Art der Wärmeübertragung von der beheizten Fläche eines Wärmetauschers auf ein Fluid, das mit der Fläche in Kontakt ist, ist der Vorgang des Blasensiedens. Es wurde erkannt, daß, wenn die beheizte Fläche aufgerauht ist, die dadurch entstandenen Unregelmäßigkeiten oder Hohlräume zu Verdampfungskeimstellen für die Bildung von Blasen werden.

Es ist bekannt, daß man für derartige Blasen, um sie gegen die beheizte Fläche zu drücken, eine physikalische Barriere einrichten muß, die mit der beheizten Fläche einen engen Kanal bildet. Eine größere Blasenfläche, die mit der beheizten Fläche in Kontakt ist, hat zur Folge, daß ein großer Prozentsatz der beheizten Fläche mit einer dünnen Mikroschicht der Flüssigkeit bedeckt ist, von der die Verdampfung günstigenfalls direkt in die Blasen stattfindet. Während sich die Blasen den Kanal entlang weiterentwickeln, wird jedoch die Flüssigkeit aus den Zwischenräumen aneinanderliegender Blasen abgezogen, was zu einer "Austrocknungs"-Situation führen kann, in der der Dampf in direktem Kontakt mit der beheizten Fläche ist; d. h., es tritt eine Verdampfung zur Trockenheit auf.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher zu schaffen, der wirtschaftlich zu fertigen ist und alle vorgenannten Vorteile des Blasensiedens bietet, aber die Entstehungsmöglichkeit der Verdampfung zur Trockenheit reduziert.

Gemäß der Erfindung besteht ein Wärmetauscher aus einem Kernstück mit einem hohlen Abschnitt, der den Hauptstromdurchgang eines zu verdampfenden Fluids bildet; und eine Fläche aufweist, die im Betrieb zusammen mit einer von ihr beabstandeten Hilfsfläche einen engen Kanal bildet, durch den Fluid auch fließen kann, wobei mindestens eine der Flächen beheizt ist und der Zwischenraum so dimensioniert ist, daß im Betrieb Blasen, die an der beheizten Fläche entstehen, von der anderen Fläche gegen die beheizte Fläche gepreßt und flachgedrückt werden und aus mindestens einer Öffnung vom Kanal in den Hauptstromdurchgang, die ein Entweichen von Blasen von der beheizten Fläche und das Ersetzen von verdampfter Flüssigkeit erlaubt.

Vorzugsweise werden eine Mehrzahl von beabstandeten parallelen Hauptstromdurchgängen durch Extrudieren eines Materials hoher Wärmeleitfähigkeit geformt, wobei jedem Hauptstromdurchgang mindestens ein Kanal zugeordnet ist und jeder Kanal eine Mehrzahl von Durchgangslöchern besitzt, die ihn mit seinem zugehörigen Hauptstromdurchgang verbinden.

Die Hilfsfläche kann auf einer Seite einer Trennplatte gegenüber den Kanälen angeordnet sein, wobei die Hilfsfläche durch den Fluß eines relativ heißen Fluids über die andere Seite der Trennplatte beheizt ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert; in dieser zeigt

Fig. 1 einen Horizontalschnitt durch einen Wärmetauscher,

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht eines Hauptstromdurchgangs des Wärmetauschers aus Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen weiteren Wärmetauscher und

Fig. 4 einen Horizontalschnitt durch noch einen weiteren Wärmetauscher.

Nach den Fig. 1 und 2 besitzt ein Wärmetauscher 1 ein Kernstück, das einen hohlen Abschnitt aufweist, der eine Mehrzahl von Hauptstromdurchgängen 2 für eine Kühlflüssigkeit bildet. Die Hauptstromdurchgänge 2 sind durch Extrudieren von Material hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Aluminium, geformt. Jeder Hauptstromdurchgang 2 ist durch gegenüberliegende Seitenwände 4 und gegenüberliegende obere und untere Wände 6 gebildet (wie in Fig. 1 gezeigt). Die Seitenwände 4 erstrecken sich über und unter die jeweiligen oberen und unteren Wände 6 und bilden zusammen mit der Hilfsfläche 7 auf einer Trennplatte 8 Kanäle 10. Jeder Kanal 10 gehört zu einem Hauptstromdurchgang 2, und eine Mehrzahl von Öffnungen in Form von Durchgangslöchern 12 sind in den Wänden 6 angebracht, um den Durchfluß von Fluid zwischen jedem Kanal 10 und seinem zugehörigen Hauptstromdurchgang zu ermöglichen. Der Abstand zwischen der Hilfsfläche 7 auf der Trennplatte 8 und der gegenüberliegenden Fläche 6′ auf den Wänden 6 liegt im Bereich von bis zu 3000 µm, während die Entfernung zwischen unmittelbar angrenzenden Hilfsflächen 7 in der Größenordnung von 6-10 mm liegt. Die die Kanäle eingrenzenden Flächen können oberflächenbehandelt sein, wie z. B. geätzt oder plasmabesprüht oder gerändelt, um Verdampfungskeimstellen zu erhalten. Die Ecken der Seitenwände 4 können in gutem thermischen Kontakt mit den Flächen 7 der Trennplatten 8 stehen, um den Wänden 6 zu ermöglichen, als beheizte Flächen zusätzlich zu den Hilfsflächen 7 zu wirken.

Im Betrieb strömt das Fluid, wie flüssiger Sauerstoff, durch die Hauptstromdurchgänge 2 und die Kanäle 10, während ein relativ heißes Fluid über die Trennplatten 8 fließt. Die Hilfsflächen 7 werden heiß, und Blasen bilden sich an den Verdampfungskeimstellen. Die Blasen werden in den Kanälen 10 durch die obere und untere Fläche der oberen und unteren Wand 6 flachgedrückt und gegen die betreffende heißere Hilfsfläche gepreßt. Da die Blasen die Kanäle entlang fortschreiten, werden sie durch die Löcher 12 zwischen den Kanälen 10 und den Hauptstromdurchgängen 2 abfließen und sich dem Hauptstrom des flüssigen Sauerstoffs anschließen.

In der oben beschriebenen Vorrichtung können Dampf- oder Gasblasen gleichmäßig oder lokal in den engen Kanälen 10 entstehen. Dampfblasen können natürlich durch aktive Verdampfungskeimstellen auf den beheizten Hilfsflächen produziert werden, die mit dem Ziel, bei niedrigen Überhitzungswerten die Keimbildung zu unterstützen, behandelt sein können.

Gasblasen derselben oder einer anderen Zusammensetzung können auch künstlich durch bestimmte Leitungen in einige der engen Kanäle 10 eingeleitet werden. Dampfblasen können auch entstehen durch lokale Heizungen, deren örtliche Dissipation groß genug ist, um Blasensieden oder Filmsieden zu erzeugen.

Im Rahmen dieser Beschreibung ist der Ausdruck "enger Kanal" so zu interpretieren, daß damit ein Kanal gemeint ist, klein genug, um die Blasen derart zu quetschen, daß während des größten Teils der Blasenverweilzeit im engen Kanal eine größere Kontaktfläche über eine flüssige Mikroschicht mit der Fläche, von der Wärme abzutransportieren ist, entsteht. Es wurde herausgefunden, daß für optimale Ergebnisse der Abstand zwischen den Flächen zwischen ungefähr 50 und 3000 µm betragen sollte.

Wie in Fig. 3 und 4 gezeigt wird, kann der Kern des Wärmetauschers in Form zweier konzentrischer Zylinder ausgebildet sein. In Fig. 3 formt der innere Zylinder 20 den Hauptstromdurchgang 22 oder den Flüssigkeitsvorrat und ist mit Öffnungen 24 versehen, die den Blasen ermöglichen, aus dem schmalen Kanal 26 zu entweichen, den die Außenfläche des inneren Zylinders mit der Innenfläche oder Hilfsfläche 27 eines äußeren Zylinders 28 bildet.

In Fig. 4 sind wieder zwei Zylinder koaxial angeordnet, aber in diesem Fall ist die Hilfsfläche 37 die Außenfläche des inneren Zylinders 30, während der äußere Zylinder 32 auf seiner Außenfläche einen Teil eines Hauptstromdurchganges oder Flüssigkeitsvorrates bildet. Der äußere Zylinder 32 hat Durchgangslöcher 34, die den Blasen erlauben, von der beheizten äußeren Hilfsfläche des inneren Zylinders in den Haupt-Flüssigkeitsvorrat zu entweichen.

In allen oben beschriebenen Ausführungsformen verhindert das Vorsehen von Öffnungen, durch die die Blasen passieren können, um sich dem Haupt-Flüssigkeitsvorrat anzuschließen, die Möglichkeit des Entstehens einer "Verdampfung zur Trockenheit"-Situation.

Obwohl Bezug darauf genommen wurde, daß der Hauptstromdurchgang 2 durch Extrudieren geformt werden kann, können andere Formungsmethoden benutzt werden.

Claims (7)

1. Wärmetauscher, bestehend aus einem Kernstück mit einem hohlen Abschnitt, der einen Hauptstromdurchgang für ein zu verdampfendes Fluid bildet und eine Fläche aufweist, die zusammen mit einer von ihr beabstandeten Hilfsfläche einen engen Kanal bildet, durch den das Fluid auch fließen kann, wobei mindestens eine der Flächen beheizt ist und der Zwischenraum so dimensioniert ist, daß im Betrieb Blasen, die an der beheizten Fläche entstehen, von der anderen Fläche gegen die beheizte Fläche gepreßt und flachgedrückt werden; gekennzeichnet durch mindestens eine Öffnung (12) vom Kanal (10) in den Haupt­ stromdurchgang (2), die ein Entweichen von Blasen von der beheizten Fläche (7) erlaubt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, in dem eine Mehrzahl von beabstandeten parallelen Hauptstromdurchgängen durch Extrudieren eines Materials hoher Wärmeleitfähigkeit geformt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Hauptstromdurchgang (2) mindestens ein Kanal (10) zugeordnet ist, und jeder Kanal (10) eine Mehrzahl von Durchgangslöchern (12) besitzt, die ihn mit seinem zugehörigen Hauptstromdurchgang (2) verbinden.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfläche (7) auf einer Seite der Trennplatte (8) gegenüber den Kanälen (10) angeordnet ist, daß die Hilfsflächen (7) durch den Fluß eines relativ heißen Fluids über die andere Seite der Trennplatte (8) beheizt ist.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Fläche (6) und der Hilfsfläche (7) zwischen ungefähr 50 und 3000 µm beträgt.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche die außenliegende Fläche eines Zylinders (20) ist, der koaxial innerhalb eines zweiten Zylinders (28) angeordnet ist, wobei die Hilfsfläche (27) die Innenfläche des zweiten Zylinders (28) ist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche die innenliegende Fläche eines Zylinders (32) ist, der koaxial um einen zweiten Zylinder (30) angeordnet ist, wobei die Hilfsfläche (37) die außenliegende Fläche des zweiten Zylinders ist.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der außen­ liegenden Fläche des inneren Zylinders (30) und der innenliegenden Fläche des äußeren Zylinders (32) zwischen ungefähr 50 und 3000 µm beträgt.