NL8601236A - Inrichting voor het koelen van vlakken. - Google Patents

Description

NO 33858 1

Inrichting voor het koelen van vlakken.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor de intensieve koeling van vlakken. De noodzaak van een bijzonder intensieve koeling bestaat bijvoorbeeld bij vlakken, die door elektrische ontladingen met een hoog vermogen getroffen worden of beschoten worden 5 met intensieve corpusculaire stralen. Het is bekend cm de te koelen vlakken uit te voeren als een wand van een holle ruimte waar een vloeibaar koel middel doorheen stroomt; daarbij wordt het maximale vermogen dat van deze wand afgevoerd kan worden door de koelvloeistof begrensd door de vorming van dampbellen. Vlakken die gekoeld moeten worden, 10 waarvoor de uitvinding bijzonder geschikt is, zijn bijvoorbeeld dragers voor de verdamping van de materialen in vacuum door beschieting met elektronen en de kathodeverstui ving van targets door beschieting met ionen.

Aangezien een laminaire stroming van het koelmedium voor het af-15 voeren van grote hoeveelheden warmte bij hoge vermogensdichtheden niet geschikt is, aangezien de door de hete wand verwarmde vloeistofvolumina voortdurend langs deze hete wand strijken en daarbij - in het bijzonder wanneer de wand een horizontale bovenste begrenzing van de holle koelruimte vormt nauwelijks een warmteuitwisseling met de koudere delen van 20 de laminaire vloei stofstroming optreedt, werd reeds voorgesteld, in verband met een betere koelwerking een turbulente stroming te verschaffen, wat bijvoorbeeld door het verhogen van de druk geschiedt, waardoor een hogere stromingssnelheid en daarmee wervelvorming optreedt. Het grensgebied van de laminaire en turbulente stroming moet volgens de 25 huidige opvatting voor warmtewisselaars met grote oppervlakken bijzonder doeltreffend zijn met betrekking tot de koeling (en daarom wordt getracht dit te bereiken bij de bouw van energiecentrales).

Doch voor de voor het onderhavige doel bestemde uitvinding is deze bekende maatregel niet voldoende.

30 Voor de opwekking van wervels moet de stroming aan de geometrie van de te koelen oppervlakken en eventueel aanvullend aan een plaatselijk verschillende belasting worden aangepast, hetgeen bewerkstelligd wordt door geleidingselementen die in langsrichting en in dwarsrichting zijn geplaatst. Doch ook deze geleidingselementen hinderen de stroming, 35 in het bijzonder bij kanten en hoeken, hetgeen de vorming van grote dampbellen gunstig beïnvloedt. Wanneer deze dampbellen optreden in gebieden met een sterke stroming, kunnen ze gedeeltelijk losgeraakt 1601235 2 worden, doch vaak wordt de vloei stofkoeling door de dampbellen volledig verhinderd. Verder vermindert kalkafzetting de warmteoverdracht in zulke kritische gebieden en leidt tot de noodzaak om vaak te reinigen. Het is zoals vermeld bekend dat dampbellen door een hoge stromingssnel-5 heid van het koel middel weliswaar losgeraakt kunnen worden van de hete vlakken, zolang ze nog klein zijn, waarbij ze in de korte tijd, gedurende welke ze aan de wand hechten, het kontakt met het koel middel slechts weinig nadelig befnvloeden. Dit kan echter door middel van een hoge doorstroming van het koel middel,.dat wil zeggen met een over-10 eenkomstige hoogdrukverschil tussen de inlaat en de uitlaat van het koelmiddel bereikt worden. Bij de toepassing van kalkhoudend koelwater moet er bovendien op worden gelet, dat de onderste grens van de noodzakelijke waterhoeveelheid per tijdeenheid door de op plaatsen met een verminderde stroming optredende maximale temperatuur bepaald wordt, bo-15 ven welke het uitscheiden van calciumcarbonaat sterk toeneemt. Deze temperatuur is zoals bekend een functie van de hardheid van het water.

Op grond van deze feiten zijn de bedrijfskosten door een hoog koelmiddelverbruik vaak aanzienlijk, en het is het doel van de onderhavige uitvinding deze te verminderen. Ook uit ecologisch oogpunt is ge-20 wenst, het koelen met een zo klein mogelijk gebruik aan koelmiddel te bereiken.

Dit doel wordt bereikt doordat de uitmonding van de toevoerleiding als een mondstuk uitgevoerd is en zo geplaatst is, dat het koelmiddel in de holle ruimte treedt en wel tangentiaal ten opzichte van de inwen-25 dige wand daarvan en in draaiing gebracht wordt om een as en dat de leiding voor het afvoeren van het koelmiddel bij de genoemde as geplaatst is.

Aan de uitvinding ligt het inzicht ten grondslag, dat de holle koelruimte ten minste in het gebied van de te koelen vlakken, waar deze 30 belast worden met een hoge vermogensdichtheid, vrij moet zijn van gelei dingselementen. Elk element van dat soort vermindert de stromingssnelheid van het koelmiddel, en wel bijzonder sterk in de kanten en hoeken van de gel eidingselementen. De invloed daarvan zou men weliswaar ook door goed warmte geleidende verbindingen met de kunnen koelopper-35 vlakken en door een zorgvuldige vorming van de warmteovergang kunnen verminderen, (waarbij de vergroting van de koelende kontaktvlakken de vermindering van de stromingssnelheden gedeeltelijk compenseert). De vervaardigingskosten voor een dergelijke oplossing zouden echter aanzienlijk zijn.

40 De verrassend hoge koelwerking bij de uitvoering volgens de uit- 860123« 3 vinding kan vermoede!ijk verklaard worden doordat bij het inlaten van het koelmiddel door middel van het mondstuk een voor het losmaken van de dampbellen noodzakelijke, voldoend snelle stroming wordt opgewekt, waarbij het drukverschil van het koelmiddel tussen de inlaat en de uit-5 laat bijna zonder verliezen in kinetische energie wordt omgezet. Een grote dwarsdoorsnede van de toevoer!ei dingen en afvoer!ei dingen is aan-oevelenswaardig, aangezien ook daarmee geen te groot gedeelte van het beschikbare drukverval verbruikt wordt door de vorming van een turbulente stroming. De oplossing volgens de uitvinding kan bijzonder goed 10 bij cirkel vormige te koelen oppervlakken worden bereikt, waarbij de toevoer voor het koelmiddel in de voor de koeling bestemde holle ruimte tangentiaal ten opzichte van de inwendige wand daarvan kan geschieden.

Voor een hoog rendement van een koel inrichting volgens de uitvinding werkt ook bevorderend, dat bij een eenmaal van de wand losgemaakte 15 dampbel de condensatie in de vloeibare fase in de omgeving overweegt, aangezien geen verdere warmtetoevoer zich voordoet en daardoor het opnieuw vormen van de damp niet mogelijk is, zodat de dampbel snel instort. De kleine hoeveelheid permanente gassen, die in het water opgelost waren en uit de instortende bellen niet weer in oplossing gaan, 20 wordt door de op het vloeibare koelmiddel uitgeoefende centrifugaal-kracht naar binnen gedrukt. Ook langs de bodem worden dergelijke gassen om die redenen naar het midden gedrongen, waar het afzuigen door het uitstromende koelmiddel kan geschieden.

Terwijl dus bij bekende koel inrichtingen noodzakelijk was de wan-25 den van de holle ruimte waar het koelmiddel doorheen stroomt, zo mogelijk gestructureerd uit te voeren om een wervel vorming te bereiken, is het volgens de uitvinding gunstiger wanneer de wanden zo glad mogelijk zijn. Op die manier immers worden de stromingsverliezen klein gehouden en wordt de snelheid van het koelmiddel bijna tot bij het midden behou-30 den. Aangezien het kwadraat van de snelheid de kinetische energie bepaalt, doch de impuls daarentegen voor het losmaken van de dampbellen beslissend is, kan de uitstekende werking tot aan het midden van het te koelen oppervlak waargenomen worden. Het behouden van de draai Impuls werkt bovendien stromingsverliezen van het koelmiddel bij de overgang 35 naar de steeds kleinere stralen tegen, waardoor een verhoging van de rotatiefrequentie wordt verkregen. Daarbij blijft de centrifugale kracht K : m^2r groot tot zeer kleine stralen, en daardoor ook de kracht, welke het koelmiddel tegen de te koelen wand drukt, zodat de afvoer van de warmte onafhankelijk wordt van de inbouwtoestand.

40 In het volgende wordt de uitvinding aan de hand van een eenvoudig 860125e 4 uitvoeringsvoorbeeld verder toegelicht.

Figuur 1 toont een verticale doorsnede door een volgens de uitvinding gekoelde kroes voor het verdampen van het materiaal door middel van een elektronenstraal.

5 Figuur 2 toont een doorsnede volgens de lijn AA van figuur 1.

Zoals in de tekening te zien is, bestaat het met 1 aangeduide kroeslichaam uit een grondplaat 2 en een met de grondplaat verbonden bovenste gedeelte 3, die samen een holle ruimte 4 vormen, waardoorheen een vloeibaar koelmiddel - gewoonlijk water - kan stromen. Het koelmid- 10 del wordt via een pijpleiding 5 toegevoerd en via een centrale pijplei ding 6, die deze omgeeft, weer afgevoerd. In de kroes bevindt zich het te smelten en te verdampen goed 8, wat bij gebruikmaking van door een niet getoond el elektronenkanon opgewekte energierijke elektronenstraal beschoten en daardoor verhit wordt. Daarbij wordt op het verhoudingsge-15 wijze kleine oppervlak 9 van de bodem van de kroes een zeer groot elektrisch vermogen overgebracht, dat voor het grootste gedeelte door de tegelwanden door koeling moet worden afgevoerd, om een oververhitting en daardoor smelten van de kroes te vermijden. Om het koelmiddel op de wijze van de onderhavige uitvinding aan de in het bijzonder te koelen 20 onderzijde 9 van de bodem van de kroes te geleiden, is een inzetstuk 10 voorzien, dat op een ringvormige verhoging 11 van de grondplaat ligt en daarmee verbonden is, waardoor een verdeel ruimte 13 van het koelmiddel wordt gevormd. De ring 11 bezit meerdere in de vorm van Lava!-mondstukken gevormde kanalen 14 (twee zijn er getekend), waardoorheen het koel-25 middel in de holle ruimte 4 stroomt. De som van de dwarsdoorsnede van alle uittreeopeningen van de genoemde mondstukken moet klein zijn in verhouding tot de dwarsdoorsnede van het koelmiddel in de toevoer!ei-ding en in de afvoerleiding en met betrekking tot de diameter van de cilindrische holle ruimte resp. het oppervlak van de bodem van de 30 kroes. De richting van de uit de mondstukken 14 tredende koelmiddel-stralen moet zo mogelijk tangentiaal ten opzichte van de inwendige wand van de holle ruimte verlopen en in dit uitvoeringsvoorbeeld zo mogelijk evenwijdig aan de onderzijde van de bodem 9 van de kroes. Het koelmiddel strijkt daarbij voortdurend roterend rond de as 15 van de uitvoe-35 ring over de te koelen onderzijde van de bodem van de kroes radiaal van buiten naar binnen en wordt via de centrale pijpleiding 6 weer afge-voerd.

De met de uitvinding verkregen verbetering wordt duidelijk uit metingen, die uitgevoerd worden op volgens de uitvinding uitgevoerde 40 elektronenstraal-verdampingsinrichtingen. Daartoe werd de kroes van ko- 8601236 5 per van de verdampingsinrichting bediend met een elektronenstraal met een vermogen van 10 kW. Daarbij bleek bij een temperatuur van 11°C van het toegevoerde koelmiddel (4 liter per minuut) een temperatuur van 46°C van het afgevoerde koelwater, dus in totaal een temperatuurverho-5 ging van 35°C. Bij een conventioneel gekoelde kroes van dezelfde afmetingen en bij een zelfde vermogen van de elektronenstraal waren daarentegen ten minste 12 liter koelwater per minuut nodig. De besparing aan koelwater bedroeg bij de inrichting volgens de uitvinding derhalve tweederde.

10 In een ander voorbeeld werd het koelwater, waarmee een target in een kathodeverstuivingsinrichting, die op conventionele manier werd gekoeld, met 7°C verwarmd, waarbij de door de kathodeverstuiving op het target afgegeven vermogen 40 kW bedroeg. Ondanks deze geringe verwarming trad echter bij de poging om het vermogen te verhogen boven de ge-15 noemde vermogensgrens een voortdurend stoten op aan de waterslangen, en soms het verbranden zelfs de elastomere afdichtingen, die voor de afdichting van het target ten opzichte van de koelwaterkanalen waren voorzien. Na het inbouwen van een koelsysteem volgens de uitvinding kon de koelwaterhoeyeelheid van 67 liter per minuut verminderd worden tot 20 19 liter per minuut en de verwarming bedroeg bij hetzelfde vermogen van 48 kW 35,5°C. Daarbij kon bij een ingangstemperatuur van het koelwater van 13° het toegevoerde vermogen zelfs nog aanzienlijk boven de genoemde grens verhoogd worden, zonder dat ook maar enige bedrijfsstoringen optraden. In dit uitvoeringsvoorbeeld bleek derhalve de verbetering 25 volgens de uitvinding doordat een aanzienlijk grotere temperatuurverho-ging van het koelwater en daardoor een betere benutting daarvan kon worden toegelaten, zonder dat het functioneren van de inrichting nadelig beïnvloed werd.

Sr # f : / -1 ;n

Claims (1)

1. Inrichting voor het koelen van oppervlakken, waarbij de te koelen oppervlakken als deel van een wand van een in wezen cilindrische man-5 tel vlakken bezittende holle ruimte waardoorheen een vloeibaar koel middel stroomt, uitgevoerd is, en een leiding voor de toevoer van het koelmiddel in de nabijheid van het mantelvlak uitmondt en een verdere leiding voor het afvoeren van het koelmiddel uit de holle ruimte voorzien is, met het kenmerk, dat de uitmonding van de toevoerleiding als 10 een mondstuk uitgevoerd is en zo geplaatst is, dat het koelmiddel in de holle ruimte tangentiaal ten opzichte van de inwendige wand daarvan binnentreedt en in draaiing gebracht wordt om een as en dat de leiding voor het afvoeren van het koelmiddel bij de genoemde as aangebracht is. 15 ===== 8601236