DK143421B - Fremgangsmaade ved overfoersel af varme - Google Patents

Description

(Sn (19) DANMARK Vly

É| (ni FREMUEGGELSESSKRIFT od 143421 B

DIREKTORATET FOR PATENT- OG VAREMÆRKEVÆSENET

(21) Ansøgning nr. 2685/69 (51) Int.CI.3 F £8 F 13/00 (22) Indleveringsdag 19 · maJ 1 969 (24) Løbedag 19· maj 1969 (41) Aim. tilgængelig 21 . nov. 1 969 (44) Fremlagt 17. aug. 1981 (86) International ansøgning nr. - (86) International indleveringsdag - (85) Videreførelsesdag - (62) Stamansøgning nr. -

(30) Prioritet 20. maj 1968; 730322, US

(71) Ansøger UNION CARBIDE CORPORATION, New York, US.

(72) Opfinder Alfred Michael Czikk, US: Patrick Scott O'Neill, US.

(74) Fuldmægtig Ingeniørfirmaet Lehmann & Ree.

(54) Fremgangsmåde ved overførsel af varme.

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde ved overførsel af varme fra en varmekilde til en kogevæske gennem en varme-overførende skillevæg under anvendelse af et porøst kogelag, der er fastgjort til væggens ene side og er opbygget af varmeledende enkeltpartikler, hvilken kogevæske har en Kelvin-parameter 2 Οσ Τ_/λΡ på mellem 0,001411 og 0,0254 cm x °K, hvor: σ = Overfladespænding, dyn/cm, 0 = Mætningstemperatur for kogevæske svarende til darop- - trykket for væsken, °K, 7} λ - Latent varme for kogevæsken, gc&l/g, ·* 3 O P„ = Massefylde af dampen, g/cm , i* ^ -8 __ C = Omsætningsfaktor, 2,4 x 10 gcal/dyn cm.

^ Overføring af varme med tilstrækkelig store hastigheder fra 3 en opvarmet overflade til en kogevæske, der er i kontakt med denne, 2 143421 kræver almindeligvis en væsentlig temperaturforskel mellem overfladen og væsken, hvilken temperaturforskel i høj grad påvirker virkningsgraden for varmeoverføring. En vigtig faktor, der regulerer denne virkningsgrad, er beskaffenheden af den opvarmede overflade, der er i kontakt med væsken, idet det f.eks. er kendt, at glatte kogeoverflader bevirker lave varmeovergangstal på kogesiden. Lave kogevarmeovergangs-tal begrænser ofte i høj grad kogeanlæggets varmeoverføringskapacitet. Når f.eks. varme til kogning tilføres ved hjælp af damp, der kondenserer på en glatvægget varmeoverføringsoverflade, kan kondenseringsvarme-overgangstallet let være af størrelsesordenen 0,271 gcal/sek. cm2 °C, medens kogevarmeovergangstallet på den modstående side af varmeover-føringsfladen kan være kun 0,01355 til 0,0271 gcal/sek. cm2 °C. I overensstemmelse med den kendte fremgangsmåde til at summere varmeover-føringsmodstande, når koge- og kondenseringsvarmeoverføringsoverfladerne har samme areal, opnås det totale varmegennemgangstal U tilnærmelsesvis på følgende måde: i . _i + _i 0 hc ^ og

hB + hC

hvor h_. og h_ er henholdsvis koge- og kondenseringsvarmeovergangstal- B L.

lene. Det er klart, at hvis hQ er lille sammenlignet med h„, nærmer

B C

værdien for U sig h„, og det meste af fordelen med et stort kondense-

O

ringsovergangstal går tabt.

Formålet med den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe en fremgangsmåde til kogning af væsker, hvorved der tilvejebringes koge-varmeovergangstal, der er mange gange større end de, der er opnået med almindelige glatte eller ru overflader, således at der muliggøres overførsel af store mængder varme til en kogevæske ved meget mindre temperaturforskelle end de, der kræves ved de sædvanlige kogevarmeoverførings fremgangsmåder.

Dette opnås med en fremgangsmåde af den i krav 1's indledning omhandlede art, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved, at kogelaget opbygges af partikler, hvoraf i det mindste nogle er tilstrækkeligt små til at passere gennem en sigte med maskevidde 0,050 cm, hvorhos partiklerne er forbundet indbyrdes og til væggen i tilfældigt sammenhobet sammenhæng til dannelse af en ensartet grundmasse med mellemliggende 3 143421 og indbyrdes forbundne porer mellem tilstødende partikler, der har ækvivalente poreradier på mellem 0,00381 og 0,01143 cm, at det porøse kogelag dækkes fuldstændigt med væsken, i det mindste som en væskehinde, og at varmekilden bringes i kontakt med den anden side af væggen, således at der overføres tilstrækkelig varme gennem væggen til dannelse af dampbobler i det porøse kogelag og til at afgive dampen som bobler, der opstår fra det porøse kogelag, til den væskehindedel, der dækkér det porøse kogelag.

Kelvin-parametre for repræsentative væsker indenfor et område på fra 0,001411 til 0,0254 cm x °K er anført i tabel I.

Tabel I

X) o

Væske Kelvin-parameter, cm x K

Vand ved 103420 dyn/cm^ (absolut) 0,0254

Vand 0,00325

Hydrazin 0,0031

Hydrogenperoxid 0,0028

Toluen 0,00198

Ethylenglycol 0,00183

Benzonitril 0,00155

Ammoniak 0,00141 y) ved 1 atmosfære tryk med mindre andet er angivet.

På tegningen er: fig. 1 en grafisk afbildning, der viser sammenhængen mellem ækvivalente poreradier for porøse lag og kogesidetem-peraturforskellen for vand, og fig. 2 er en række grafiske afbildninger, der viser sammenhængen mellem varmestrøm og kogesidetemperaturforskel ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen og ved fremgangsmåder, hvorved der anvendes glatte kogeoverflader.

I overensstemmelse med fremgangsmåden ifølge opfindelsen tilvejebringes der et porøst kogelag med et stort antal små porer, hvilket lag er fastgjort til den varmeledende væg i en varmeveksler til overføring af varme til en væske. Det porøse kogelag er tilvejebragt af varmeledende partikler, således at disse udgør en enhed og er termisk 4 143421 forbundne til dannelse af indbyrdes forbundne porer af kapillar størrelse i det porøse kogelag. Porerne er tilvejebragt i et stort antal pr. arealenhed med lidt mellemliggende ikke-porøst materiale. Det porøse kogelag tilvejebringer en udpræget kapillarvirkning, der omtales nærmere i det følgende.

På grund af de høje varmeovergangstal, der frembringes af det porøse kogelag, kan temperaturforskellen mellem en kogevæske og dens varmekilde være væsentlig formindsket, medens der ikke desto mindre opnås en bemærkelsesværdig stor hastighed for varmeoverføring. Porøse kogelag er fundet særligt hensigtsmæssige i systemer, der kræver forhøj ede tryk for at opnå en nødvendig temperaturforskel. Ved at anvende et porøst kogelag i overensstemmelse med fremgangsmåden ifølge opfindelsen, kan den nødvendige trykforskel mellem væskerne formindskes og energiomkostningerne gøres mindst mulige.

En vigtig funktion af det porøse kogelag er at forøge koge-varmeovergangstallet. I den velkendte varmeoverføringsligning Q/A = hAT forøger det porøse kogelag i udpræget grad værdien af koefficienten "h". Virkningen af forøgelsen af denne koefficient kan anvendes på en række måder. Den samlede mængde overførte varme "Q" kan forøges, arealet "A" kan formindskes, "ΔΤ" kan formindskes, eller der kan gennemføres forskellige kombinationer af disse fordele.

Da der ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen opnås en forøgelse af koefficienten "h", er opfindelsen forskellig fra den kendte anvendelse af porøse bestanddele og indretninger, der er kendt som "overopvarmningshindrende midler", der almindeligvis opslæmmes eller neddyppes i den kogende væske for at formindske overopvarmning og for at bringe væsketemperaturen i nærmere ligevægt med væskens damptryk. Overopvarmningshindrende midler er ofte ikke-metalmaterialer, såsom pimpsten, der indeholder forholdsvis store porer af tilfældig størrelse, af hvilke kun nogle få behøver at være aktive. Det overopvarmningshindrende middels opgave er forholdsvis let og enkel, da den frie varme repræsenteret af nogle få graders overopvarmning i væsken er forholdsvis lille og kan spredes effektivt ved hjælp af en beskeden grad af kogning. Det opslæmmede opvarmningshindrende materiale behøver ikke at være varmeledende, da det ikke overfører varme til væsken. Den varme, der er nødvendig til kogning på et overopvarmningshindrende middels overflade, tilføres denne af væsken selv i form af overopvarmning. Selvom et opslæmmet overopvarmningshindrende middel således væsentligt kan formindske størstedelen af overopvarmning af væsken, må der i nogen grad eksistere væskeoveropvarmning, for at kogning kan finde sted på 5 143421 det overopvarmningshindrende middel.

I modsætning til den kendte anvendelse af overopvarmningshindrende midler er det porøse kogelag, der anvendes ved fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse, anbragt på kogeanlæggets varme væg mellem den varme væg og væsken, der skal koges, og materialet skal være varmeledende. Dets opgave er vanskeligere, idet den består i at overføre en meget stor mængde varme med en i høj grad formindsket varme-overføringsmodstand, d.v.s. med en formindsket temperaturforskel mellem den varme væg og væsken. Denne temperaturforskel mellem den varme væg og den mættede væske, der er et mål for varmeoverføringsmodstanden, er ΔΤ, der fremgår af den almindelige varmeoverføringsligning. Dens for-, mindskelse opnås ifølge opfindelsen med det forøgede varmeovergangstal for det porøse kogelag.

Selvom materialer, der er opbygget svarende til de kendte overopvarmningshindrende midler, anbringes mod den varme væg, vil der ikke blive opnået de forbedrede resultater, der opnås ifølge den foreliggende opfindelse. For at være effektiv må den porøse overflade opfylde visse specielle begrænsninger med hensyn til den ækvivalente poreradius som omtalt nærmere nedenfor.

Den ekstremt ringe tykkelse af den væskeformige hinde i porerne antages for en stor del at ligge til grund for den påfaldende forbedring med hensyn til varmeoverføringstallet h, der opnås ifølge den foreliggende opfindelse. Det er blevet konstateret, at dette er en virkning, der kun antager betydelige omfang i meget små porer, og at den ikke er væsentlig i overopvarmningshindrende midler, der primært er udformet til at formindske overopvarmning. Virkningen af overopvarmningshindrende midler er både beskrevet og forudset ved kombination af de velkendte Gibbs og Clapeyronske ligninger, der angår det termiske potential, der er nødvendig for vækst af en boble (udtrykt i overopvarm-ningen af den væske, der omgiver boblen) i forhold til størrelsen af boblen: , I ) TS Λ ~ PV)

rc lT - Ts' PL . Pv . X

hvor r = hulrumsradius (svarende til den ækvivalente poreradius r for de porøse kogelag ifølge den foreliggende opfindelse i cm. Også den tilnærmelsesvise radius af en boble, der afgives fra et hulrum med radius r ).

σ = overfladespænding, dyn/cm.

T = temperaturen af væsken, der omgiver en boble, °K.

Tg = mætningstemperatur for kogevæske svarende til damptrykket for væsken, oK> 6 143421 3 P = massefylde for væsken, g/cm .

“ 3 P = massefylde af damp g/cm .

λ = latent varme for kogevæsken, gcal/g.

C = omsætningsfaktor 2,39 · 10“® 3?Pa-!--.

dyn cm Værdien for T skal være større end Tc i et tilstrækkeligt om-fang til at bringe en boble med radius rQ til at vokse mod overfladespændingen. Som følge deraf er T - Tg den mindste overopvarmning, der er påkrævet for at opretholde kogningen. Ifølge Gibbs-Clapeyron-lignin-gen formindskes den overopvarmning, der er nødvendig for boblevækst, d.v.s. T - Tc gøres mindst mulig med stigende r , og som følge heraf skulle et overopvarmningshindrende middel udformes med en porøs overflade, der har så store porer som muligt, hvilket stadig kan holde den omsluttende gas eller damp, der er nødvendig for at aktivere den omtalte dannelse,tilbage. På fig. 1 er kurve A fremstillet ved at afsætte r som funktion af overopvarmningen ΔΤ, der er nødvendig for at opret-

C

holde boblevækst, d.v.s. T - Tg svarende til Gibbs-Clapeyron-ligningen for vand, der koger i kontakt med overflader med forskellig porestør- o relse med en varmestrøm på 0,2262 gcal/sek. cm . I overensstemmelse med formålet med overopvarmningshindrende midler, der tilsigter at formindske den nødvendige overopvarmning, vil virkningn af et godt overopvarmningshindrende middel ligge på den del af kurve A, der svarer til lave værdier for ΔΤ og høje værdier for r .

Hvis man imidlertid ønsker at gå ud over fænomenet med det overopvarmningshindrende middel, og som helhed at forbedre kogevirkningen, vil det ikke være tilstrækkeligt blot at formindske den overopvarmning, der er nødvendig for at fastholde boblevækst. Når kogning sker ved dannelse af bobler i porer eller hulrum i en overflade, der omfatter en varmekilde, er det blevet konstateret, at overopvarmningen ΔΤ, d.v.s. T - Tg ifølge Gibbs-Clapeyron-ligningen, kun er en del af modstanden mod den samlede kogning. Et andet ΔΤ eksisterer over væskehinden mellem vægtemperaturen T og den overopvarmede damp-væskekontakt-fladetemperatur T, og i virkeligheden er denne hinde-ΔΤ i forbindelse med overopvarmningen ΔΤ ifølge Gibbs-Clapeyron-ligningen. Det samlede ΔΤ mellem væggen og dampen er summen af overopvarmnings-ΔΤ og hinde-ΔΤ, og kurven B på fig. 1 er fremstillet ved at afsætte r som funktion af dette samlede ΔΤ. Det er uventet blevet konstateret, at denne hinde-ΔΤ, d.v.s. Tw - T, stiger, når r stiger, hvilket er en virkning modsat den, der er iagttaget med hensyn til overopvarmningens ΔΤ, d.v.s. T - Tg.

Den vandrette forskel mellem kurverne A og B på fig. 1 fremstiller den 7 143421 ne hinde-ΔΤ.

Udtrykt på en anden måde viser fig. 1, at idet den ækvivalente poreradius r bliver mindre, aftager hinde-ΔΤ, og overopvarmnings-ΔΤ ifølge Gibbs-Clapeyron-ligningen dominerer det samlede ΔΤ. Omvendt vil, idet den ækvivalente poreradius r stiger, overopvarmnings-ΔΤ aftage og hinde-ΔΤ dominere det samlede ΔΤ. Disse modsat rettede påvirkninger af det samlede ΔΤ tilvejebringer et maksimum på kurve B svarende til en optimal værdi for r og en mindste værdi for samlet ΔΤ.

For vand ved 1 atmosfære tryk og en repræsentativ værdi for 2 varmestrøm Q/A på 0,2262 gcal/sek. cm findes som vist på fig. 1 det optimale r mellem 0,00508 og 0,01016 cm, i det bredere område mellem1 0,00381 og 0,01143 cm. Selvom fig. 1 er baseret på forsøgsresultater for vand ved 1 atmosfæres tryk, er den repræsentativ for væsker, der har en Kelvin-parameter 2 Ca Tg/XPv på mellem 0,001411 og 0,0254 cm x °K. Det skal bemærkes, at Kelvin-parameteren tilnærmelsesvis er lig med rc (T - Tg) bestemt ved den ovennævnte Gibbs-Clapeyron-ligning ag kun afviger med hensyn til den antagelse, at PL - Py er lig med P^.

Væskeformige metaller, såsom f.eks. væskeformig natrium og væskeformig kviksølv, er ejendommelige ved at have Kelvin-parametre 1 over 0,0254 og kræver således forholdsvis store ækvivalente poreradier r for at fremme boblevækst. Ved de meget små poreradier, der er nødvendige ifølge den foreliggende opfindelse, ville dampbobler af væskeformige metaller klappe sammen snarere end vokse. Følgelig ville en varmeoverføringsfremgangsmåde til kogning af væskeformige metaller og under anvendelse af porøse overflader med radier på 0,00381 og 0,01143 cm ikke omfatte boblevækst i porerne, men kun på deres yderside på samme måde som en ru overflade. Desuden har væskeformige metaller meget store varmeledningsevner, og fremgangsmåder til kogning af disse er ikke forbundet med den store ulempe med en lang varmeoverførings-vej mellem den kendte ru overflade og boblen, der vokser i væsken.

Væsker, der er ejendommelige ved at have Kelvin-parameter under 0,001411, f.eks. almindelige kølemidler, kryogener og lette car-bonhydrider, kan koges i porøse overflader med 0,00381-0,01143 cm poreradier med væsentlig større Varmeoverføringstal end med de hidtil kendte ru overflader. Imidlertid frembyder sådanne varmeoverføringsmåder ikke den optimale udnyttelse af den foreliggende fremgangsmåde, da den øverste del af dette poreradiusområde 0,00762-0,01143 cm er større end bedst egnet for disse lave Kelvin-parametervæsker.

Den ækvivalente poreradius for et porøst kogelag bestemmes mest hensigtsmæssigt og nøjagtigt ved lodret at neddyppe en ende af 8 143421 det porøse kogelag i en frit befugtende væske og bestemme kapillar-stigningen for væsken langs overfladen af det porøse kogelag. Bestemt på denne måde er den ækvivalente poreradius r lig med 2 σ/ph, hvor p 3 er massefylden i g/cm af væsken, hvori den ene ende af det porøse kogelag er neddyppet lodret, σ er overfladespændingen i dyn/cm for væsken, hvori den ene ende af det porøse kogelag er neddyppet lodret, og h er den lodrette kapillarstigning i cm for væsken langs overfladen på det porøse kogelag.

Fordelen ved at vælge en frit befugtende væske til at bestemme den ækvivalente poreradius er, at væskefasekontaktvinklen (Θ), som væskeoverflader tilvejebringer med de materialer, af hvilke det porøse kogelag er sammensat, vil være meget lille og derfor ikke vil påvirke bestemmelsen. Hvis der ikke vælges en frit befugtende væske, må udtrykket 2 σ/ph sættes lig med r/cos Θ, og kontaktvinklen (Θ) må tages i betragtning ved bestemmelse af værdien for den ækvivalente poreradius (r). Da den nøjagtige bestemmelse af kontaktvinklen er vanskelig og unødigt medfører risiko for fejl, er det at foretrække at anvende en frit befugtende væske til bestemmelse af den ækvivalente poreradius. Væsker, der udviser en kontaktvinkel på mindre end 20° med det materiale, af hvilket det porøse kogelag er sammensat, defineres som "frit befugtende" til dette formål og kan anvendes uden at tage hensyn til kontaktvinklens indvirkning, da cos 20° er 0,95, og den fejl, der er et resultat af at se bort fra kontaktvinklen, vil være mindre end 5%.

Eksempler på egnede væsker, der frit befugter aluminium- og kobberoverflader (to af de foretrukne materialer til opbygning af porøse kogelag), er methanol, fluortrichlormethan, dichlortetrafluor-ethan, acetone, ethylchlorid, flydende oxygen og flydende nitrogen.

Den væske, der vælges til bestemmelse af den ækvivalente poreradius, skal fortrinsvis være et godt opløsningsmiddel for olie og fedt, således at virkningen af disse almindelige overfladeforurenende stoffers tilstedeværelse gøres mindst mulig. Rent vand betragtes ikke som en frit befugtende væske, da dets kontaktvinkel (Θ), f.eks. med en aluminiumsoverflade, er omkring 66°.

Den ækvivalente poreradius er uafhængig af egenskaberne af det materiale, der er anvendt til at opbygge det porøse kogelag. Den bestemmes kvalitativt de geometriske egenskaber og mål-egenskaberne for selve det porøse kogelag. Den ækvivalente poreradius skal ikke anvendes til at udtrykke den kvantitative virkning af noget som helst specielt porøst kogelag, da en sådan virkning bl.a. vil afhænge af materialet, hvoraf det porøse kogelag er opbygget, og væsken, der skal koges.

9 143421

For at illustrere fremgangsmåden til bestemmelse af den ækvivalente poreradius er der anført de efterfølgende resultater og beregning for en porøs kobber-nikkeloverflade af korn med en diameter på 0,0149-0,0125 cm i diameter i tabel II. En smal strimmel af kobberplade, på hvilken den porøse overflade var påført, blev ophængt lodrét med den ene ende neddyppet i fluortrichlormethan. Væsken befugtede overfladen ved hjælp af kapillarvirkning til en højde h over væskeoverfladen på 5,09 cm. Fluortrichlormethan har en overfladespænding på 18,98 3 dyn/cm og en massefylde på 1,46 g/cm . Indsættes disse værdier i den ækvivalente poreradiusligning, fås en værdi for r på 0,005334 cm.

I tabel II, kolonne 2, er der anført værdierne for den effektive poreradius bestemt eksperimentelt for en række overflader, såvel som porøse kogelag ifølge den foreliggende opfindelse i frit befug-tende væsker, specielt methanol, fluortrichlormethan og dichlortetra-fluorethan. Kolonne 3 i tabel II viser størrelserne af temperaturforskelle, der kræves af de forskellige overflader for at overføre 0,2262 2 gcal/sek. cm ved kogning af vand ved 1 atmosfæres tryk. Da Q/A holdes konstant på 0,2262, er den eneste variable i varmeoverføringsligninger-ne ΔΤ og h, og disse variable er omvendt proportionale. Følgelig vil et fald i det nødvendige ΔΤ med en faktor på 10 forøge varmeovergangs-tallet h med en faktor på 10. Kolonne 3 i tabel II tilvejebringer således et middel til at sammenligne forskellige overfladers varmeover-føringsevne i en almindelig væske.

10 143421

Tabel II

ΔΤ °C nødvendig for Ækvivalent pore- Q/A = 0,2262 goal/

Plan pladeoverflade radius i cm sek. cm2

Porøse kogelag 1. Kobber-nikkel, 100-120 maskers materiale,(0,0125- 0,0149 cm),kornformet 0,0053 0.78 2. Kobber, 35-60 maskers materiale (0,025-0,05 cm), kornformet 0,00864 0,56 3. Kobber-nikkel, 50-60 maskers materiale, (0,025-0,0297 cm), kornformet 0,00762 0,50 4. Aluminium, 140-270 maskers materiale, (0,0053-0,0105 cm), kornformet 0,0046 1,28 5. Aluminium, 35-60 maskers materiale, (0,025-0,05 cm), kornformet 0,0069 0,44 6. Kobber-nikkel, 50-325 maskers materiale, (0,0044-0,0297 cm), kornformet 0,00508 0,94 7. Aluminium, 25-35 maskers materiale, (0,05-0,071 cm), kornformet 0,01778 1,11

Glatte overflader 8 i Kobber (ikke-porøs) * 8,33 9. Aluminium (ikke-porøs) 12,78

Et porøst kogelag som beskrevet ovenfor tilvejebringer under brugen et stort antal indbyrdes forbundne delvis væskefyldte kapillarrør, der virker som kerne for væksten af mange bobler i den kogende væske. Hvis porerne ikke var indbyrdes forbundne, ville deres fortsatte virkning som kerne for boblevækst på kritisk måde være afhængig af tilbageholdelse af omsluttet luft eller damp i porerne. Med indbyrdes forbundne porer kan imidlertid damp, der er dannet i en pore, aktivere en eller flere tilstødende porer, således at processen fortsætter uden afbrydelse og uden afhængighed af luft- eller dampomslutning. Det antages også, at i det mindste nogle af porerne i den indbyrdes forbundne n 1A3421 grundinasse tilfører væske til tilstødende porer. Da boblerne vokser, kammer de til sidst frem fra de indbyrdes forbundne kapillarrør på grund af den fortsatte dannelse af damp i kapillarrørene, river sig løs fra overfladen og stiger op gennem den væskeformige hinde, der dækker det porøse kogelag. Væsken fortsætter sin strømning ind i kapillarrørene og holder kapillarvæggene befugtede, hvilket således giver forøget overfladefordampning. Den store varmeoverføring skyldes den kendsgerning, at varmen, der forlader den grundlæggende metaloverflade, ikke skal bevæge sig gennem et betydeligt væskelag, før den møder en dampvæskeoverflade, der tilvejebringer fordampning.

I det porøse kogelag vokser der således et stort antal bobler, således at varmen for at nå en damp-væskegrænse kun behøver at bevæge sig gennem et overordentligt tyndt væskelag, der har en tykkelse, der er væsentligt mindre end den omgivende pores meget lille diameter. Fordampning af væske finder udelukkende sted i porerne, og stort set er en overopvarmning af hovedmængden af væske ikke påkrævet eller kan ske.

Med en glat metaloverflade eksisterer dér kun nogle få boblepunkter, og iværksættelsen af boblevadest kræver en høj grad af overopvarmning på grund af væskeoverfladespændingens sammentrykningskraft på en meget lille boble. Varmen til boblevækst skal overføres ved hjælp af konvektion og ledning fra det glatte basismetal til den fjerne damp-væskekontaktflade i en boble, der er næsten fuldstændig omgivet af hovedmængden af væske.

Den ovenfor omtalte virkning af et porøst kogelag er ikke blot resultatet af en forøgelse af overfladearealet, f.eks. ved mekanisk at gøre overfladen ru. Dette blev påvist ved hjælp af et forsøg med ned-dypning af et porøst kogelag, der er anbragt på en kobberblok indeholdende indlejrede opvarmningsspiraler for at koge vand ved 1 atmosfæres tryk. Ved meget små varmestrømme, der er utilstrækkelige til at aktivere porerne med damp, var kogevarmovergangstallet og et synligt fænomen med boblepunkter ganske svarende til de, der opnås med en kobberblok med glat overflade. Ved større varmestrømme, der tilvejebringer dampaktivering af porerne, opnåedes der imidlertid meget støre koge- ! varmeovergangstal, der var umulige at opnå med den glatte blok eller med en blok, hvis overflader var gjort fuldstændig ru ad mekanisk vej. De nedenstående forsøgsresultater i forbindelse med kogning af vand, viser virkningen af porøse kogeoverflader ved tre temperaturforskelle og ved varmestrømme, der er tilstrækkelig store til at tilvejebringe dampaktivering af porerne.

12 143421

CM

03 O 01 ίτ> £ · * -Η ,54 Ο Μ (U Η νο νο Ο CM Is Ο CO Η m ίΓ1 &ω rs in m m ο rs m η oomvooovHovcnco μη ΜΗ \ Η 00 ΙΟ 00 CO m CO ιό 01 ΗΗΝ 0\rj^· om

^rl CO H rs H MS CO Η H CMCOOCMHCOMfCMCM H

OJ nj « « * « « .. « ·> « “ * * " * " * * > O -Oh OHH OHO O OH H O o o oo cm

o D' H

OJ ° s -

Bh · λ iso >^° s \

H

id o en cm ®n S m « n en in m st- m m h N «oo omom nn vo g co σι o o rs νο ον h cMooHvomvomvocM ·.

-§. . «5 H SO- H CO H ri ri CM rs CO OV vO -tf CM CM CM CM

μ x CMCO CO CO CO Is. CO CM «0- VO H VO rHCOcO N |

4J(U „ ...... . s ·> λ λλλ *> λ λ " * CM

U3 03 OH Ο H CM OHO O OHrH o O O OO CO

(L) rs \ M3

g<H M

M \ <d *

Ideso °

> w & 4J

0) Ό θβ μ e

co h coho co η σι σ> m η ov cohos hov O

COtH 00 τ—I CO CO i—I CO CO CO H CO C0HC0 H CO

O „ . s r S S ·> » " r r, ·> * " -1Λ μ O OH OHH OHH Η OHH OHH HH 0 E+ jjj H < “ H ^ H ^ r-i ^ .2 C! μ μ β

o O -d- CM 00 CO (U

C· m vo vo vo ov o rs. g gco oo rs. si- vo m rs g -p O o O O O o O H "S.

βοοοο οοο μ

0) ·Η s ·> ·> ·> " “ * -P

ho ο.οοσ ο ο tn id κ 9ί > 3 g -Η Η Μ > η ρ ρ ,54 (d Ms > • η μ s 0) rs ^ t·» 03 ~ 44 g Μ ι σ> μ ε te ο 0) I S 03 CM 1) [) 03s (d 03s ιό r—» rdo 44 M rs grs μ rs s

o cm g g s tnm (Up rs (Up -P

cm i—ι wo o (do 440 m m 440 Ό HO μ O I gH 03 CM CM 03 Id

|S+J(U10 VD 10 O (din (OO itiH H

000)440 I CM Os go I s g rs 0) o-^gtns oo rso s oo ο ό (U η μ β o ms cm I oo m ι ins 3 n3 so gi ο ι m vo ι no id s <u mh m ss^ om im sm1 ii μ Η Η Η β O CM H 'TO inCM ho mm 0) mh (U β μ VO o Q)s+)Ho mo tuo cmo

μ 44 -Η 0 Is 44 0) 0) s s44s s M

(U t?3 44 μ 44 Ιό O 44 H g so so 44 0 sO <U

> β Ho ms-- η β μ g s- g- h '— ε ^ ·μ OH β+Js β H 0 β 3 fi , 3 , rp (U <u | β rs sv+J ι μΉ H s 4J -H s 44 I s 4J H s 4J μ Γβ cn μ g g μ (U (u μ<υβ βοω β <u <u μ <u α> β ¢) ® ra β ο <υ Ο (U Η g (U+ΐμ Η Hg Η Hg (U Η g Η Hg > Η 44 Λ 03 43 β Μ Λ β 0 g β μ Ε U Μ Λ β Μ g β Μ Ρι 43 Μ ο 43 -Η 0 43 g 44 β Η Ο β Η 0 43 Η 0 β Η 0 Μ in ο aw ο μ μη ο η μ η η μ μη ο μ μη η μμ 0 β £·. W44H Μ0)β MWs C (U β c (U β 14 (I) β 4 C) β >

β μ ιη ο -μ μ μ^ -Ρ μ -PM -Ρ Μ -ρ μ W

Η Ο · β s ·β0 ‘(Ug ·β0 · β Ο ·β0 · β 0 rs η, Pc Η g ο cm g 44 0440 'Τ g 44 in g 44 vog44 ^ Εί 44 ·« 13 143421 På fig. 2 er vist de resultater, der er anført i tabel III i form af en grafisk afbildning med varmestrømmen som ordinat og temperaturforskellen ΔΤ °C som abscisse. De samme overflader er betegnet med de samme identifikationstal i tabel II, tabel III og fig. 2. Sammenligning af de enkelte linier for porøse overflader fremstillet ud fra partikler svarende til forskellige maskestørrelser viser en stor variation i virkning. Denne sammenligning kan f.eks. baseres på ΔΤ værdien ved den samme varmestrøm, således at den mest effektive overflade kræver det mindste ΔΤ, og den mindst effektive overflade kræver det største ΔΤ (temperaturforskellen kan direkte overføres til energikrav).

Metalpartikler, der er anvendt til at opbygge det porøse kogelag, kan omfatte produkter med en lang række maskestørrelser. Imidlertid skal i det mindste nogle af partiklerne kunne passere gennem en 35 maskers sigte (maskevidde 0,05 cm) for at tilvejebringe porer med tilstrækkelig lille størrelse til at blive aktiv ved lavt ΔΤ. Idet der henvises til fig. 2 og begyndes med glat overflade nr. 8 og 9, forbedres virkningen med det størst porede overfladelag (nr. 7, der har 25-35 maskers partikler (maskevidde 0,050-0,071 cm), forbedringen fortsætter med finere porer (nr. 2, 5, 3 og 1 med partikelstørrelser svarende til henholdsvis 35-60 (maskevidde 0,025-0,05 cm), 35-60 (maskevidde 0,025-0,05 cm), 50-60 (maskevidde 0,025-0,0297 cm) og 100-120 masker (maskevidde 0,0125-0,0149 cm)), og aftager derefter med endnu finere porer (nr. 4, der har en partikelstørrelse svarende til 140-270 masker (maskevidde 0,0053-0,0105 cm), og nr. 6, der har en partikelstørrelse svarende til 50-325 masker (maskevidde 0,0044-0,0297)). Følgelig skal partiklerne, der anvendes til at opbygge det porøse overfladelag, have en størrelse svarende til mellem 35 og 120 masker (maskevidde 0,0125 og 0,05 cm) for at opnå de bedst mulige resultater, hvilket betyder, at stort set alle metalpartiklerne passerer gennem en 35 maskers sigte (maskevidde 0,05 cm) (United States Standard sigter) og tilbageholdes på en 120 maskers sigte (maskevidde 0,0125 cm). Pulver, der anvendes til at fremstille denne foretrukne overflade, kan indeholde mindre mængder (procentvis) af partikler, der er grovere eller finere end det foretrukne område på 35-120 masker (maskevidde 0,0125-0,05 cm), og forsøg viser, at sådanne partikler i små mængder, f.eks. 10 vægtprocent, der enten er større eller mindre end det foretrukne område, hverken forøger eller forringer virkningen.

Det skal bemærkes, at selvom mindre partikler i almindelighed tilvejebringer porøse overfladelag med mindre ækvivalentradier, er der ingen direkte sammenhæng mellem disse to parametre. Dette skyldes delvist, at de enkelte partikler, der anvendes ved fremstilling af et gi- 14 143421 get porøst overfladelag, ikke nødvendigvis har den samme form, eller at disse partikler nødvendigvis i form svarer til de partikler med afvigende maskestørrelser, der er anvendt til fremstilling af andre porøse overflader. Desuden er partiklerne ophobet tilfældigt på den varme-ledende væg, og størrelserne af de mellemliggende og indbyrdes forbundne porer kan variere betydeligt. Partikelformen vil påvirke porestørrelsen, f.eks. vil kugler blive sammenhobet mere kompakt end partikler med uregelmæssig form, og de vil tilvejebringe mindre hulrum. De utallige variationer, som disse faktorer tillader, gør det upraktisk at sammenfatte alle egnede pulvere under en enkelt specifikation. Af denne grund er den ækvivalente poreradius bestemt ved rutineafprøvning af prøvestykker af det færdige porøse kogelag, som beskrevet ovenfor, en nøjagtig fremgangsmåde til identifikation.

Almindeligvis er et hvilket som helst metalmateriale egnet til fremstilling af det porøse kogelag, forudsat at det har god varmeled-ningsevne, er tilgængelig som et fint pulver, kan sammenbindes i sig selv og med basismetallet og let befugtes af den væske, der skal koges. Pulverpartiklerne, der anvendes ved fremstilling af det porøse kogelag, er fortrinsvis enten kornede eller sfæriske. Geometriske overvejelser viser, at kornede eller sfæriske partikler er mere effektive end flager eller dendritiske partikler til opnåelse af et stort antal porer med tilnærmelsesvis ens størrelse. Meget tynde flager er mindre ønskelige, da de er vanskelige at sammenbinde som adskilte partikler, og på grund af, at deres overordentlig store overfladeareal komplicerer arbejdet med at rense pulveret omhyggeligt.

Det partikelformede materiale skal fortrinsvis have en stor varmeledningsevne, som det er anført ovenfor. Bl.a. er nikkel- og kob-berholdige kogelag blevet afprøvet under ens betingelser. Herved viste det sig, at kobber-på-kobber-varmeovergangstallet er omkring tre gange så stort som for nikkel-på-kobber-kombinationen, hvilket kunne forventes på grund af kobbers større varmeledningsevne. Kobber udviser også nogle fordele i forhold til aluminium, idet ledningsevnerne for disse metaller henholdsvis er 0,926 og 0,484 gcal/sek. cm*2 °C/cm. Til korroderende anvendelser kan legeringer, såsom rustfrit stål, der er modstandsdygtigt overfor kemiske angreb, anvendes.

Tykkelsen af det porøse kogelag kan variere med i det mindste en faktor på 10 uden alvorlig skade og påvirkes kun i ringe grad af kogevæskens fysiske egenskaber. Tykkelsen skal være større end middel-partikeldiameteren og fortrinsvis være mindst to gange middelpartikel-diameteren. Med så fine partikler som svarende til 325 masker (maskevidde 0,0044 cm) vil kravene til ensartethed og fuldstændig sammenhæng 15 1 £3421 af belægningen sædvanligvis bestemme den mindste tykkelse, der påføres.

Funktionsmæssigt reguleres den maksimale tykkelse, der uden skade kan anvendes, kun af overfladens kapillarvirkning og af overfladens evne til at afgive dampen, der tilvejebringes ved kogning. Under, brugen skal overfladen være i stand til at føre væsken hele vejen gennem tykkelsen til basismetallet, således at overfladen befugtes fuldstændigt, medens den samtidig afgiver eller frigør dampen fra porerne. Der er blevet opnået udmærkede resultater med forholdsvis tykke overfladelag; f.eks. er det porøse kogelag på prøve nr. 5 i tabel II og på fig. 2 omkring 1,1 mm tykt.

En egnet porøs overflade ifølge opfindelsen kan fremstilles ved at sintre 35-60 maskers (maskevidde 0,025-0.05 cm) partikler af et varmeledende metal, såsom kobber på den varme væg, der tilfører varme til kogevæsken. Partiklerne påføres i en sådan mængde, at der tilvejebringes en porøs lagtykkelse på ca. 0,11 cm. Mellemrummene eller hulrummene mellem partiklerne skal i det væsentlige være fri for fast materiale og indbyrdes forbundne i hele lagets tykkelse. De indbyrdes forbundne porer, der spledes tilvejebringes, vil variere meget i størrelse, og mange vil ligge mellem 0,010 og 0,020 cm i diameter, hvilket er påvist mikroskopisk. Der vil være et stort antal porer pr. arealenhed af overfladen.

Der kan anvendes forskellige fremgangsmåder til fremstilling af et sintret porøst metalkogelag på et basismetal. En foretrukket fremgangsmåde er at anvende et midlertidigt bindemiddel, såsom et formstof-materiale til at tilvejebringe og bevare en ensartet belægning på basismetaloverfladen, idet bindemidlet er af en sådan beskaffenhed, at det dekomponerer og fordamper under opvarmnings- og sintringsbehandlingen.

Et sådant formstof er en isobutylenpolymer, der har en molekylvægt på ca. 140.000.

Formstofbindemidlet opløses i et passende opløsningsmiddel, såsom petroleum eller carbontetrachlorid, og der tilsættes tilstrækkeligt metalpulver til at opnå en ensartet viskos opslæmning med et metalforms tof vægtf orho ld på ca. 92 til 1. Basismetaloverfladen skal være fri for fedt, olie og oxidbelægning for at opnå passende vedhæften af den porøse belægning. Lige før opslæmningen påføres, kan overfladen skylles med formstofopløsnigen for at lette befugtning af det opslæramede materiale for derved at opnå en mere ensartet fordeling.

Der kan anvendes en radcke fremgangsmåder til påføring af en opslæmmet belægning på basismetallet. Formålet er at opnå en ensartet belægning, og valget af fremgangsmåde vil afhænge af formen for og orienteringen af overfladen. Påsprøjtning og neddypning er to fremgangsmå- 16 143421 <3er, der med held har været anvendt.

Belægningen lufttørres enten under eller efter påføringen. Hovedmængden af opløsningsmiddel fjernes således ved fordampning, idet det efterlader et fast selvbærende lag, der holdes på plads af bindemidlet. Derefter dækkes basismetallet og belægningen af en svagt reducerende atmosfære, og temperaturen forøges i et tilstrækkeligt tidsrum til at sintre partiklerne indbyrdes og til basismetallet. Den cirkulerende reducerende gas fjerner den tynde oxidhinde og fjerner også dekom-poneringsprodukterne fra overfladematerialerne. I tilfælde af kobber sintres belægningen ved omkring 100°C under dens smeltepunkt eller omkring 960°C.

Ifølge en anden vellykket fremgangsmåde påføres kun bindemidlet og opløsningsmidlet på overfladen, og metalpulveret strøes derefter i tør tilstand over den klæbrige belægning. Dette har den fordel, at opløsningsmidlet kan afdrives, før metalpartiklerne påføres, og formstoffet er mindre flydende og bevægeligt. Med en omhyggeligtgennemført over-strøningsfremgangsmåde kan der opnås et meget ensartet lag, der har formindsket tendens til at løbe eller falde sammen. Overstrøningen kan om ønsket gentages for at opbygge relativt tykke lag under anvendelse af tynde påføringer. Et andet med held anvendt bindemiddel er en methyl-cellulosepolymer, der har en viskositet på 4000 cps. En foretrukket op- 3 slæmning omfatter 32 g kobberpulver i 100 cm af en 2% vandopløsning af denne polymere. Efter påføring af en belægning af opslæmningen på basismetallet lufttørres den ved almindelige temperaturer (under vands kogepunkt) og ovntørres derefter vedomkring 399°C i en atmosfære af vandmættet ndglødningsgas. Belægningen sintres derefter ved passende sintringstemperaturer .

Et tredie formstofbindemiddel, der med held har været anvendt, er polystyren, der har en molekylvægt på omkring 90.000, og som er opløselig i toluen eller xylen.

Som anført ovenfor anvendes bindemidler og opslæmninger for at lette fordelingen, og til midlertidig at holde pulveret på plads, indtil der kan opnås en permanent termisk binding. Når overfladens beskaffenhed tillader det, kan pulveret påføres uden bindemiddel og sintres i tør tilstand.

Det porøse kogelag kan påføres på indersiden af varmevekslerrør. Ved en sådan påføring begynder man fortrinsvis med at fordele opslæmningen i hele rørets længde og derefter anbringe røret i en maskine, der er i stand til at dreje røret om dets egen akse med en hastighed, der er tilstrækkelig stor til at tilvejebringe en glat belægning, d.v.s. omkring 200 omdrejninger pr. minut. Belægningen lufttørres under rota- η 143421 tionen og ovnsintres derefter Tinder de ovenfor omtalte betingelser.

En anden påføringsfremgangsmåde egner sig især til plane, riflede flader eller på ydersiden af cylindriske flader. Ifølge denne fremgangsmåde fødes en opslæmning af metalpulver og formstofbindemiddel fra en tragt til den ydre overflade på en poleret valse i et ensartet lag. Idet valsen langsomt roterer, får bindemidlets fordampning formstofhinden til at stivne, og denne trækkes kontinuerligt af valsen som en plade af formstofmateriale, der indeholder det indlejrede metalpulver. Den sammensatte hinde bringes derefter i kontakt med overfladen på en metalplade, der føres ind i ovnen, hvor formstoffet afdrives, og metalpulveret sintres til pladen. Denne fremgangsmåde egner sig især til massefremstilling.

Den ovennævnte overstrøningsfremgangsmåde under anvendelse af formstof foretrækkes til fremstilling af kogelag på ydersiden af varmevekslerrør. Formstofbelægningen påføres let ved påsprøjtning eller på-strygning. Pulveret kan afgives fra en overliggende sigte. Scan en anden mulighed kan det formstofovertrukne rør rulles i metalpulver, der derefter tilstoppes for at fjerne overskydende partikler, der ikke er fast vedhæftet.

Fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse kan prakti^-seres i varmevekslere, hvor i det mindste to gennemgange er termisk forbundne, såsom f.eks. ved hjælp af en fælles væg, således at væsken, der skal koges, strømmer gennem en første gennemgang, og en varmere væske strømmer gennem den anden gennemgang. I et sådant anlæg udgør den varmere væske den varme kilde, og den fælles væg udgør den varmeledende væg, der modtager varme fra den varmere væske. Det porøse lag er hæftet til den fælles væg på dennes ene side og udgør en del af den første gennemgangs.

Dynamiske gennemstrømningsvarmevekslere kan f.eks. være af pladetypen, hvor en flerhed af parallelle rumligt adskilte skilleplader er anbragt i en kernesektion, der er forsynet med passende samlekasser og forgreningsrør for væskestrømmene.

Varmeveksleren kan også være af kappe-rørtypen med et eller flere rør anbragt i en kappe, således at rørene danner en første væskegennemgang, og at den omgivende kappe udgør en anden væskegennemgang.

Det porøse lag er fastgjort til den ene side af rørvæggen, således at det kan berøre kogevæsken.

Det er klart, at der kan anvendes forskellige midler i varmevekslerne for at forbedre kondenseringskoefficienten i forbindelse med den foreliggende fremgangsmåde. F.eks. kan der anvendes ribber eller

Claims (2)

18 143421 riller for at forøge varmeoverføringsarealet i den gennemgang, gennem hvilken den varmere væske strømmer. Den foreliggende opfindelse kan også anvendes i forbindelse med varmevekslere af karkoge-typen, hvor det porøse overfladelag er heftet til den ene side af en varmeledende væg, der er anbragt i en beholder, Den anden side af væggen er bragt i kontakt med en varmekilde, der f.eks. kan være en varmere væske eller en elektrisk, nuclear eller anden varmekilde i fast tilstand. Det porøse lag dækkes med væsken, der skal koges, og den resulterende damp afgives fra det porøse lag og går gennem væsken op i det overliggende gasrum. Det porøse lag kan også påføres de indvendige vægge i et rørbundt, der er anbregt lodret i en kappe. Den koldere væske i rørene opvarmes og koges af den varmere væske i kappen, der er i kontakt med røroverfladerne. Væsken koger med en gemmensivende virkning, således at dampbobler, der opstår fra det porøse lag, passerer gennem den forholdsvis tynde væskehinde, der fuldstændig dækker det porøse lag. Den opadstigende damp, der medfører væskepartikler, afgives fra rørenes øverste ender. Ved fremgangmådens gennemførelse behøver væsken, der skal koges, kun at tilvejebringe en tynd hinde over det porøse lag, så længe sidstnævnte er fuldstændig dækket. I andre udførelsesformer er det porøse lag neddyppet i en forholdsvis dyb væskebeholder. Det ses, at det porøse lag kan hæftes til en væg, der er anbragt i en hvilken som helst retning, lige fra vandret til lodret. I enten den skråtstillede eller lodrette stilling kan væsken, der skal koges, indføres ved den nederste ende, som beskrevet ovenfor, eller som en anden mulighed indføres ved den øverste ende til nedadgående strømning. P a t e n t k r a v.

1, Fremgangsmåde ved overførsel af varme fra en varmekilde til en kogevæske gennem en varmeoverførende skillevæg under anvendelse af et porøst kogelag, der er fastgjort til væggens ene side og er opbygget af varmeledende enkeltpartikler, hvilken kogevæske har en Kelvin-parameter

2 Ca Tg/XPv på mellem 0,001411 og 0,0254 cm x °K, hvor: