DE1924360A1

DE1924360A1 - Thermisch leitende Metallwandung

Info

Publication number: DE1924360A1
Application number: DE19691924360
Authority: DE
Inventors: Kun Leslie Charles; Czikk Alfred Michael
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1968-05-14
Filing date: 1969-05-13
Publication date: 1970-09-17
Also published as: AT297765B; BE733027A; BR6908743D0; NL6907460A; US3454081A; JPS4914024B1; FR2008516A6

Description

PATENTANWALT
DIPL-ING.

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. d-i^^h oisir. 27 - Tel. 51 7079 9 . Mai 1969

Gzy/Ra. Union Garbide Corporation, New York, N.Y. 10017 / U.S.A.

Thermisch leitende Metallwandung

Zusatz zum Patent (Patentanmeldung P 15 51 542.1)

Die Erfindung betrifft eine thermisch leitende Metallwandung zur Übertragung von Wärme auf eine siedende flüssigkeit. Sie betrifft insbesondere solche Wandungen, deren mit der siedenden Flüssigkeit in Berührung stehende Seite eine derartig ausgebildete Oberfläche hat, daß die Umwandlung von Flüssigkeit in Dampf gefördert wird.

Eine wirksame Wärmeübertragung von einer heißen Oberfläche auf eine mit ihr in Berührung stehende siedende Flüssigkeit erfordert in der Regel einen erheblichen Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche und der Flüssigkeit. Wichtig hierbei ist die Art der heißen Oberfläche, die in Berührung mit der Flüssigkeit steht. Es ist z.B. bekannt, daß eine glatte mit der Flüssigkeit in Berührung stehende Oberfläche die Wärme nur sehr schlecht überträgt. Dieser niedrige Wärmeübertragungskoeffizient schränkt die Wirksamkeit von Siedevorrichtungen ein. Wenn beispielsweise die zum Sieden erforderliche Menge durch Kondensation von Dampf auf einer glatten Wandung geliefert werden soll, so kann an der Außenseite, an welcher der Dampf kondensiert, der Wärmeübertragungskoeffizient 0,267 gcal/Sek.cm .⁰C betragen, während an der gegenüberliegenden Seite, die mit der siedenden Flüssigkeit in Verbindung steht, der Wärmeübertragungskoeffizient nur 0,0134 bis 0,0267 goal/Sek.cm².⁰O beträgt.

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Zur Erzeugung von Dampf ist die Gegenwart von Dampfkernen an der Siedeseite erforderlich. An üblichen glatten Oberflächen, die z.B. aus kaltgewalztem Blech bestehen, entstehen die Dampfkerne an mikroskopisch kleinen Vertiefungen oder Kratzern, die Gas oder Dampf durch ihre Form und ihre kleinen Abmessungen zurückhalten können. Solche mikroskopischen Vertiefungen sind aber sehr wenig zahlreich, und man kann sich nicht auf sie verlassen, weil sie ihren Dampf zwischenzeitlich verlieren. Das Wachsen der Dampfblasen erfordert ferner eine weitgehende Überhitzung, weil die Oberflächenspannung die Bildung von kleinen Blasen fördert. Ein großer Teil der erforderlichen Wärme muß durch Konvektion und Leitung von der glatten Metalloberfläche zu den entfernten Grenzflächen zwischen Dampf und Flüssigkeit der wachsenden Dampfblase übertragen werden, da die letztere fast vollständig von einer größeren Flüssigkeitsmenge umgeben ist.

Es ist schon bekannt, verbesserte Siedeflächen durch Walzen mittels texturierter Rollen herzustellen, oder durch Einführung von Sand zwischen die Walzen. Ebenso sind Siedeflächen bekannt, die gerieft sind oder Reihen von Rippen aufweisen, so daß eine größere Oberfläche für die Bildung von Blasen vorhanden ist, als bei einer glatten Oberfläche. Es sind auch schon gerippte Oberflächen bekannt, wobei die äußeren Kanten der Rippen gezähnt sind; neben jedem dieser Zähne befindet sich ein konisch verlaufender Teil der Rippe, der wenigstens teilweise über die Rippe hinausragt. Ein Abstand von 0,38 bis 0,76 mm zwischen den schrägen Teilen der Rippen, der zwischen 35 und 75 i° der gesamten Rippenkanten umfaßt, gilt als gut brauchbar, wobei die besten Ergebnisse dann erhalten wurden, wenn die Abstände zwischen den abgeschrägten Teilen der Rippenkanten 0,50 bis 0,62 mm betrugen.

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In der deutschen Patentschrift ITr (P 15 51 542.1)

und in der entsprechenden französischen Patentschrift 1 533 025 sind Siedeflächen "beschrieben. Diese Siedeflächen weisen zahlreiche Nuten und Kämme verhältnismäßig geringer Höhe auf. Die Nuten sind in solchen Abständen voneinander angeordnet, daß mehr als acht auf einen Zentimeter kommen. Der obere Teil jedes Kammes ist wenigstens an einem Teil seiner Länge so verbogen, daß er sich in oder über die benachbarte Nute erstreckt. Da die benachbarten Nuten eng nebeneinander liegen, so sind die zwischen den Kämmen befindlichen Hohlräume mit verengten Öffnungen durch die seitlich verbogenen Kämme der Rippen so eng, daß die dort entstehenden Dampfblasen nur von einer sehr dünnei Schicht von Flüssigkeit umgeben sind, und zwar während der ganzen Zeit vom Beginn des Entstehens der Blase bis zu ihrem Entweichen aus den Hohlräumen. Weil in di^een Hohlräumen jeweilig nur geringe Flüssigkeit smengen vorhanden sind, ^:md weil zwischen der Oberfläche des Hohlraumes und der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Dampf an der Blase in dem Hohlraum nur ein sehr geringer Abstand besteht, ist eine weitaus bessere Wärmeübertragung möglich, als bei Verwendung von Siedeflächen, die lediglich eng nebeneinander liegende Nuten aufweisen. Derartige Nuten und Kämme können gekreuzt sein durch eine zweite Reihe von Nuten, vorzugsweise im rechten Winkel, wobei die Oberflächen der zweiten Reihe verengt oder nicht verengt sein können.

Siedeflächen nach der deutschen Patentanmeldung P 15 51 54-2.1 können durch Einkerben der Wandungen mittels keilförmiger Werkzeuge erzeugt werden, wobei ein Teil der Kämme über oder in die schonhergestellten Nuten hineingedrückt wird. Der zweite Satz der Nuten kann gewünschtenfalls ebenfalls durch Einkerben hergestellt werden, oder durch Kerben einer Reihe und Fräsen der an-

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deren Reihe in einer beliebigen Reihenfolge. Man kann derartige Oberflächen auch so herstellen, daß man eine Reihe von Hüten in den gewünschten Abständen herstellt und dann die Oberkanten der zwischen ihnen befindlichen Kämme quetscht oder riefelt, und hierbei einen Teil von ihnen in beide benachbarten Nuten hineindrückt. Man kann auch die Kämme so herstellen, daß man sie mit der Grundfläche verbindet. Man kann z.B. offene parallele

W Nuten in einer Richtung schneiden und darauf ein perforiertes Blech oder ein Sieb aufbringen und mit den Kämmen verbinden, wobei die Löcher in dem Blech oder die Öffnungen des Siebes als verengte Öffnungen dienen. Man kann auch so vorgehen, daß man zunächst eine Reihe von Kämmen oder Rippen parallel zueinander auf einer glatten Siedefläche aufbringt, wobei diese Kämme oder Stränge aus einem korrodierbaren oder zersetzlichen Material bestehen können. Dann gießt man ein nicht korrodierbares Metall über und zwischen diese Stränge, und schleift diese neue Oberfläche notfalls soweit ab, daß die Oberkanten der Rippen freigelegt werden. Dieses Material kann dann durch beispielsweise Auslaugen so behandelt werden, daß Hohlräume entstehen, die

| von der nicht korrodierbaren letzten Oberfläche umgeben sind.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Wirksamkeit dieser bekannten Siedeflächen mit eng nebeneinanderliegenden Nuten und Hohlräumen mit verengten Öffnungen verbessert werden kann, wenn der Durchmesser dieser verengten Öffnungen unterhalb gewisser Grenzen gehalten wird.

Die Erfindung betrifft eine thermisch leitende Metallwandung zur Übertragung von Wärme auf eine siedende Flüssigkeit, deren mit der siedenden Flüssj^ceit in Berührung stehende Seite je Zentimeter mehr als acht praktisch parallel verlaufende, durch

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Kämme voneinander getrennte Nuten aufweist, wobei die Oberkanten der Kämme wenigstens teilweise über und/oder in die benachbarten Nuten hineinragen und dadurch Hohlräume mit verengten Öffnungen bilden, die mit dem Äußeren in Verbindung stehen. Die Metallwandung ist dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Äußeren in Verbindung stehenden Öffnungen so eng sind, daß Blasen des Dampfes der siedenden Flüssigkeit mit einem Durchmesser von 0,1 mm, vorzugsweise mit einem Durchmesser von 0,0125 mm, nicht hindurchgehen.

Die Zeichnungen erläutern einige Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 1 zeigt in 20-facher Vergrößerung von oben die Oberfläche einer erfindungsgemäßen Siedefläche, die praktisch parallel verlaufende, eingekerbte Nuten aufweist.

Fig. 2 zeigt in 75-facher Vergrößerung einen Schnitt durch eine eingekerbte erfindungsgemäße Siedefläche mit einer Form von Kämmen, Hohlräumen und verengten Öffnungen.

Fig. 5 zeigt in 40-facher Vergrößerung einen Schnitt durch eine andere erfindungsgemäße Siedefläche.

Fig. 4 zeigt graphisch die Beziehung zwischen dem Wärmeübertragungskoeffizienten und den Abmessungen der Öffnungen der verengten Hohlräume für verschiedene siedende Flüssigkeiten.

Nachstehend wird die Erfindung nur in Bezug auf solche Oberflächen oder Wandungen beschrieben, die durch Kerben hergestellt sind. Die Erfindung ist aber nicht hierauf beschränkt, sondern sie betrifft auch andere thermisch leitende Metallwandungen, un-

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abhängig von der Art ihrer Herstellung. Es ist ferner klar, daß die verformten Oberkanten der Kämme nicht nur in eine, sondern auch in "beide "benachbarten Nuten oder über sie ragen können.

Die Fig. 1 zeigt in vergrößertem Maßstabe von oben eine erfindungsgemäße Siedefläche, die durch Kerben hergestellt ist, so

wie es in der deutschen Patentschrift (P 15 51 542.1)

beschrieben ist. Die Fläche weist mehr als acht Hüten je Zentimeter auf. Zwischen den Kämmen befinden sich Hohlräume, die nach dem Äußeren hin geöffliet sind, und zwar durch verengte Kanäle, die durch die verformten Oberkanten der Kämme gebildet sind. Die Figur zeigt, daß diese verengten Kanäle ungleichmäßig sind, was auf die körnige Natur des gekerbten Metalls und örtliche Unterschiede der Härte zurückzuführen ist. Infolgedessen gibt es Öffnungen, durch welche der Dampf während des Siedens entweichen kann, ohne daß Dampfblasen in den Hohlräumen verloren gehen, während gleichzeitig Öffnungen bestehen, durch welche Flüssigkeit eintretenkann, um den Flüssigkeitsfilm um die eingeschlossenen Dampfblasen zu ergänzen.

Die Figur 2 zeigt im Schnitt eine solche Oberfläche, wobei die Verengung der Öffnungen der Hohlräume dadurch erreicht ist, daß die Oberkanten der Kämme verbreitert sind. Bei Anwendung eines anderen Kerbverfahrens sind aber auch andere Formen erhältlich, z.B. eine solche, wie sie in der Fig. 3 gezeigt wird. In dieser wird die Verengung der Öffnungen dadurch erreicht, daß die Oberkanten der Kämme verbogen sind.

Kompliziertere Oberflächenmuster werden erhalten, wenn die Nuten in zwei Reihen senkrecht zueinander verlaufen. Wenn beide Reihen aus eingekerbten Nuten bestehen, so gibt es natürlich bei jeder

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Reihe verengte Öffnungen. Wenn nur die eine Reihe eingekerbt und die andere durch Schleifen erhalten ist, so treten verengte Öffnungen nur in bestimmten Abständen auf, während zwischen ihnen die Öffnungen zu den Hohlräumen nicht verengt sind. Da sich schneidende Reihen von Nuten, die auf verschiedene Tiefen eingekerbt sind, oder eingekerbte Hüten, die von eingeschliffenen Nuten gekreuzt sind, das Nachströmen von Flüssigkeiten in die Hohlräume, wo die Blasen entstehen, fördert, so ist diese letztere Ausführungsform in der Regel bevorzugt.

Um eine gute Wärmeübertragung zu erreichen, ist es wesentlich, daß die physikalischen Eigenschaften der Siedefläche der Oberflächenspannung der siedenden Flüssigkeit angepaßt sind₀ So sind beispielsweise Sauerstoff und Stickstoff Flüssigkeiten mit einer niedrigen Oberflächenspannung. Bei ihnen verwendet man vorzugsweise Siedeflächen mit ss\r eng beieinanderliegenden Nuten, insbesondere mit 55 bis 80 Nuten je Zentimeter. Wasser gehört zu Flüssigkeiten mit einer höheren Oberflächenspannung; bei Wasser verwendet man Oberflächen mit Nuten, die weiter voneinander entfernt sind, z.B. 8 bis 50 Nuten je Zentimeter. Bei Abnahme des Abstandes der Nuten nehmen im allgemeinen auch die Abmessungen der Hohlräume und die Durchmesser der verengten Öffnungen ab.

Die Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Durchmesser der verengten Öffnungen und dem Wärmeübertragungskoeffizienten. Der Wärmeübertragungskoeffizient ist bei einem Wärmefluß von 1 ,5 gcal/Sek.cm gemessen. Die Kurven zeigen das Verhalten von verschiedenen Siedeflächen mit verschiedenen Abständen der Nuten und verschiedenen Abmessungen der verengten Öffnungen bei verschiedenen siedenden Flüssigkeiten. Die Abmessungen der verengten Öffnungen wurden durch Bestimmen einer Mikrophotographie eines

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Querschnittes einer Siedefläche festgestellt.

Man ließ drei verschiedene Flüssigkeiten, nämlich verflüssigten Stickstoff mit einem Siedepunkt von -196 C, Wasser mit einem Siedepunkt von 100⁰O und ein Gemisch von 30 Gew.-$ Äthylenglycol und 70 Gew.-^ Wasser mit einem Siedepunkt von 103,3°C bei einem Druck von einer Atmosphäre in Berührung mit einer Siedefläche mit einfachen Nuten und mit im rechten Winkel zueinander verlaufenden Nuten sieden, um die Daten für die Fig. zu erhalten. Für jede Flüssigkeit sind die Werte besonders eingetragen. Man sieht, daß in allen Fällen die beste Wärmeübertragung erreicht wird, wenn die verengten Öffnungen einen Durchmesser von weniger als 0,125 mm haben.

Man sieht ferner, daß bei Flüssigkeiten mit einer niedrigen Oberflächenspannung, wie z.B. verflüssigter Stickstoff, die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn die verengten Öffnungen einen Durchmesser unter 0,044 min haben, und wenn die Nuten in engen Abständen, d.h. 55 bis 80 Nuten je Zentimeter, vorhanden sind. Bei Flüssigkeiten mit einer hohen Oberflächenspannung, wie Wasser, werden die besten Ergebnisse erhalten, wenn die verengten Öffnungen einen Durchmesser zwischen 0,044 und 0,100 mm haben, und wenn die Nuten etwas weiter voneinander angeordnet sind, z.B. 8 bis 50 Nuten je Zentimeter. Solche Siedeflächen sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.

Erwartungsgemäß ist die Wärmeübertragung für die Lösung von Äthylenglycol in Wasser schlechter als die bei reinem Wasser. Das ist damit zu erklären, daß der Wärmeübertragungskoeffizient in Gemischen von Flüssigkeiten niedriger ist als in ihren reinen Bestandteilen.

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Claims

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Patentansprüche

Eine thermisch leitende Metallwandung zur Übertragung von Wärme auf eine siedende Flüssigkeit, deren mit der siedenden Flüssigkeit in Berührung stehende Seite je cm mehr als 8 praktisch parallel verlaufende, durch Kämme voneinander getrennte Nuten aufweist, wobei die Oberkanten der Kämme wenigstens teilweise über und/oder in die benachbarten Nuten hineinragen und dadurch Hohlräume mit verengten Öffnungen bilden, die mit dem Äußeren in Verbindung stehen, nach dem

Patent Nr. (Patentanmeldung P 15 51 542.1), dadurch

gekennzeichnet, daß die mit dem Äußeren in Verbindung stehenden Öffnungen so eng sind, daß Blasen des Dampfes der siedenden Flüssigkeit mit einem Durchmesser von 0,1 mm, vorzugsweise mit einem Durchmesser von 0,0125 mm, nicht hindurchgehen.
2. Metallwandung nach Anspruch 1 für die Verwendung bei Flüssigkeiten mit einer niedrigen Oberflächenspannung, dadurch gekennzeichnet, daß sie je cm 55 "bis 80 Nuten aufweist und daß die Öffnungen so eng sind, daß Blasen des Dampfes der siedenden Flüssigkeit mit einem Durchmesser von 0,044 mm nicht hindurchgehen.
3. Metallwandung nach Anspruch 1 für die Verwendung bei Flüssigkeiten mit einer hohen Oberflächenspannung, dadurch gekennzeichnet, daß sie je cm 8 bis 50 Nuten aufweist und daß die Öffnungen so eng sind, daß Blasen des Dampfes der siedenden Flüssigkeit mit einem Durchmesser von 0,044 bis 0,100 mm nicht hindurchgehen.

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