NO773108L - Varmeoverfoeringsinnretning. - Google Patents

Description

Varmeoverføringsinnretning.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en varmeveksler av manteirørtypen med en forbedret varmeoverføringsflate på rørets utside og en fremgangsmåte for bedret kondensasjonsvarme-over-føring.

Indirekte varmeoverføring mellom væsker møter tre former for motstand. Den første har med varmekilden med høy temperatur å gjøre, den andre utøves av det medium som adskiller væskene og den tredje har forbindelse med varmeavløpet med lav temperatur. Ved systemer som tillater bruk av et materiale med stor varmeledeevne vil det adskillende mediets motstand mot varmeoverføring være lav, slik at varmeoverføringsverdien vanligvis styres av strømningsforholdene og fluidumenes egenskaper. I forhold til varmeavløpet med lav temperatur er koeffisienter i en størrelsesorden av 1000 BTU/time, fot , oF oppnåelige ved overføring av fri varme. Ved prosesser som omfatter et kokende medium med lav temperatur, f. eks. ifølge US pat entskrif j; 3 384 154 (Milton) eller US patentskrift 3 4-54 081 (Kun et al), er koeffisienter på 8000 til 12 OOOvBTU/time, fot2, °F oppnåelige. Den motstand som har forbindelse med varmekilden med høy temperatur, styrer ofte varmeoverføringsverdien især ved prosesser som omfatter kondensering, hvor koeffisienter på mindre enn 500 BTU/time, fot<2>, °F ofte foreligger. I slike systemer representerer den flytende film som dannes på kondensasjonsflaten hovedmotstanden mot varmeoverføring og er særlig stor i mantel-rørutstyr hvor kondensasjon finner sted på rørutsiden og dreneres fra overflaten som følge av tyngdekraften.

Det er kjent en mangfoldighet av flateutformninger som bedrer varmeoverføringsverdiene ved prosesser som omfatter kondensasjon, hvor kondensatet dreneres fra flaten under påvirkning av tyngdekraften. Mantelsidekondensasjon i mantel-rør-varme-

vekslere er et eksempel på en slik prosess.

Gregorig ("An Analysis of Film Condensation on Wavy Surfaces" Zeitschrift fiir Angewandte Mathematik und Physik, bd.

4, s. 40-49) beskriver en fremgangsmåte som baserer seg på trykklinjen i forbindelse med variasjoner i væskeoverflatepro-filet som følge av overflatespenning. Fremgangsmåtens generelle prinsipper er med hell anvendt for utformning av et åntall inn-retninger som øker kondensasjonsvarmeoverføringsverdien. Gregorigs arbeid var basert på dampkondensasjon og utnyttet en over-flat ekonstruks jon med spesifike dimensjoner, som angitt i hans matematiske utledninger, for oppnåelse av maksimal kondensasjons» effekt. Gregorigs overflate er beregnet for anordning på ytre kondensasjonsflate av vertikalt orienterte kondensasjonsrør og dens form kan beskrives som en rekke alternativer, avrundede ribber og fordypninger, som forløper aksialt i rørets lengde. I nærheten av ribbeområdet vil konveksiteten av varmeoverførings-flaten fremkalle et overtrykk i kondensatfilmens væsketrykk i forhold til det som forekommer ved en flat væskeflate. Det høyere trykk i dette kondensat skyldes dets overflatespenning og filmens konvekse bøyning. I "dal,,-området foreligger et lavere trykk som følge av den konkave flateform. En resulterende trykkdifferanse følger fra ribbe til dal, slik at væske som kon-denserer nær ribbene, lett vil strømme inn i dalene for å følge disse under tyngdekraft-påvirkning» Den generelle effekt er at kondensatfilmens tykkelse reduseres til et minimum på ribbene,

med tilsvarende økning av varmeoverføringskoeffisienten.

De overflater som er utviklet for utnyttelse av Gregorigs teorier, omfatter rillede, riflede og kanalforsynte former og krever betydelig endring av den primære varmeoverførings-struktur samt frembyr produksjonsmessige og økonomiske ulemper. Som ventet, skaper systemene vanskeligheter med henblikk på hvor lett det samlede kondensat kan renne av fra systemet og de be-grenser seg til avrenningsformer som gir en uhindret strømnings-bane for kondensatutløp.

Et annet forsøk på å øke kondensasjonsvarme-overføringen har beskjeftiget seg med måter for å øke væsketurbulensen i kon-densatf ilmen. Ved en undersøkelse av en flate, som var blitt oppruet ved skjæring av venstre- og høyregjenger på et rørs ytterflate, oppdaget Nicol og Medwell ("Velocity Profiles and Rougnness Effeets in Annular Pipes", Journal Mech. Eng. Science, bd. 6, nr. 2, s. 110-115>1964) at forholdet friksjonsfaktor - Reynolds tall lignet det som foreligger ved de sand-oppruede rør som ble utforsket av Nikuradse ("Strømungsgesetzte in rauhen Rohren", Forech Arb. Ing. Wes* No. 3^1, 1933)»Det er kjent at "speilbilde"-flater av tettpakkede sandkorn øker over», føringen av fri varme ved å bryte opp det underliggende sjikt av væskegrensesjiktet, hvorved dette sjikts dybde og motstand mot varmeoverføring reduseres (Dipprey, P og Sabersky, R, "Heat and Momentum Transfer in Smooth and Rough JEubes at Various Prandtl Numbers", Int. Journal, Heat and Mass Transfer, bd. 6,

s. 329-253»1963). I en undersøkelse av kondensasjonsvarmeover-føring av den Nicol-Medwell oppruede flate ("The effe&t of Surface Rougnness on Condensing Steam", Canadian Journal of

Chem. Eng., s. 170, 173»juni 1966), ble de erholdte data følgelig analysert på basis av den turbulensfremmende virkning som sandkorn-oppruede flater er kjent for å utøve på det lami-nær e , nedre sjikt. Nicol og Medwell målte lokaliserte varmeoverf øringskoef f isient er , som utgjorde 400$ av glatte rørs, men over den største utstrekning av det ca. 2,4 m lange rør ble det bare oppnådd verdier på 200$ av verdiene ved glatte rør. En 200$ økning er en mariginal bedring i forhold til det som kjennes fra Gregorigs flater og Nicol-Medwell-teknikken har derfor ikke vakt kommersiell interesse.

En hensikt med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en bedret varmeoverføringsinnretning med en kondensasjons-varme-overføringskoeffisient som ligger betydelig høyere enn det som hittil har vært oppnådd.

En annen hensikt med oppfinnelsen er å tilveiebringe en varmeoverføringsinnretning som erkarakterisert vedhøy konden-sas jonskoef f isient og som forholdsvis rimelig lar seg masse-produsere.

Ytterligere en hensikt med oppfinnelsen er å tilveiebringe en bedret varmeveksler av mantel-rørtypen, som utmerker seg ved én bedret kondensasjonsvarme-overføringsinnretning på rørets ytterflate.

Oppfinnelsen går også ut på å tilveiebringe en fremgangsmåte for bedret kondensasjonsvarme-overføring i en varmeveksler, hvor et første fluidum kondenseres og dreneres på den ene side av en metallvégg som følge av varmeveksling med et kaldere fluidum på den annen side av nevnte metallvégg.

Andre formål og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå av nedenstående beskrivelse og de etterfølgende krav.

I tegningen viser

fig. 1 et mikrofoto, sett rett ned på et enkelt sjikt

av tilfeldig fordelte metallegemer, som hvert er bundet til ytterflaten av et rørformet underlag, hvorved det dannes en bedret kondensasjonsvarme-overføringsinnretning ifølge foreliggende oppfinnelse (j5X forstørrelse),

fig. 2 en forstørret skjematisk gjengivelse, sett rett ned på et metallplateunderlag med tre metallegemer bundet til dette,

fig. 3-A- er e"t forstørret, skjematisk sideriss av ett enkelt metallegeme på underlag, som viser metallegemets mindre dinran s j on L^,

fig. 3B et forstørret skjematisk sideriss av ett enkelt metallegeme på underlag, som viser metallegeme-underlagets største dimensjon L,>,

fig. 4 er et forstørret, skjematisk sideriss av metall-legemer og underlag, som viser oppfinnelsens kondensatdrenerings-mekanisme,

fig. 5 er et strømningsskjerna av en frysevæske-konden-sator, ved bruk av den bedrede varmeoverføringsinnretning ifølge oppfinnelsen for kondensasjonsvarmeoverføring,

fig. 6 en grafisk gjengivelse av kondensasjonsvarme-overf øringskoeffisientforholdet h/hu i forhold til den aktive varmeoverføringsflateandel Aa for frysevæske 114 på et ca. 6 m langt vertikalt rør,

fig. 7 en grafisk gjengivelse av kondensasjonsvarme-overf øringskoef f isientf orholdet h/hu i forhold til den aktive varmeoverf øringsf lat eandel Aa for etyshen på et ca. 3 m langt, vertikalt rør,

fig. 8 en grafisk gjengivelse av kondensasjonsvarme-overføringskoeffisientforholdet h/hu i forhold til den aktive varmeoverføringsflateandel Aa for damp på et ca. 6 m langt, vertikalt rør,

fig. 9 en grafisk gjengivelse av den aritmetiske mid-delhøyde e for legemene på underlaget i forhold til den aktive

varmeoverføringsflateandel Aa for alle kondensasjonsvæsker som viser optimal og 70$ av optimal varmeoverføringsbedring.

Oppfinnelsen vedrører en bedret varmeoverføringsinn-retning, en varmeveksler av mantel- og rør-typen med en bedret varmeoverføringsflate på rørutsiden og en fremgangsmåte for bedring av kondensasjonsvarmeoverføring.

I kjente, bedrede kondensasjonsvarme-overføringsinn-retninger av Nusselt-typen har man søkt å redusere strømnings-hindringen i strømningskanalene for drenering ved å tilveiebringe rette kanaler med minimal lengde og uten hindringer, f.eks. aksiale spor på ytterflaten av vertikalt orienterte rør. Det har vist seg at de buktede væskedreneringskanaler som utmerker foreliggende oppfinnelse, ikke danner en alvorlig begrensning av kondensatdreneringen. Kondensasjonsvarme-overføringsevnen av innretningen ifølge oppfinnelsen er fordelaktig sammenlignet med de beste, bedrede varmeoverføringsflater som tidligere er beskrevet og er overlegen i forhold til mange kjente innret-ninger, som alle har det til felles at de har rette, åpne, ubehindrede dreneringskanaler. Varmeoverføringsinnretningen ifølge oppfinnelsen er dessuten langt rimeligere å fremstille ved masseproduksjon.

Ifølge oppfinnelsen tilveiebringes en bedret varmeoverf øringsinnretning, som omfatter et metallunderlag og ett enkelt sjikt av tilfeldig fordelte metallegemer, som er individuelt bundet til en første side av nevnte underlag i innbyrdes avstand og i det vesentlige omgitt av underlagets første side, slik at det dannes hulrom, med en aritmetisk middelhøyde e av legemene mellom 0,127 mm og 1,524 mm og slik at hulrommet utgjør mellom 10 og 90$ av det totale underlagsareal. Av grunner som vil bli nærmere omtalt nedenfor, ligger den aritmetiske middel-høyde e av legemene fortrinnsvis mellom 0,254 mm og 1,016 mm og hulrommet utgjør fortrinnsvis mellom 40 og 80$ av det totale underlagsareal. Ved et annet foretrukket utførelseseksempel er et fler-sjikt-helegg av stablede metallpartikler integrert bundet sammen og til den side av metallunderlaget som ligger over-for førstnevnte side, slik at det dannes innbyrdes forbundne porer av kapillarstørrelse med en ekvivalent poreradius på mindre enn ca. 4,5 mils (0,ll43 mm).

I forbindelse med fremstilling av bedrede varmeover føringsinnretninger kan metallegemene f,eks. omfatte en blanding av kobber som hovedkomponent og fosfor (loddemetallingrediens)

som indre komponent. Ved en annen kommersielt hensiktsmessig ut-førelsesform kan metallegemene omfatte en blanding av jern eller kobber, som hovedkomponent og fosfor og nikkel (sistnevnte av hensyn til korrpsjonsmotstanden) som mindre komponenter. Ved en utførelse, hvor metallunderlaget er aluminium, kan metallegemene omfatte aluminium som hovedkomponent og silikon (loddemetallingrediens) som mindre komponent.

Oppfinnelsen vedrører også en varmeveksler med flere metallrør som er anordnet i flukt med hverandre i lengderetningen og har innbyrdes avstand i tverretningen og som i motstående ender er koblet til fluiduminnløps- og fluidumutløps-manifolder, og med en mantel, som omgir røret og har organer for fluidumtil-førsel og fluidumutløp, hvor hvert rør har et innerflateunderlag og et ytterflateunderlag. Forbedringen omfatter ett enkelt sjikt av tilfeldig fordelte metallegemer, som hvert er individuelt bundet til ytterflateunderlaget i innbyrdes avstand og i det vesentlige omgitt av ytterflateunderlaget, slik at det dannes hulrom. Den aritmetiske middelhøyde e av legemene på ytterflateunderlaget er mellom 0,127 mm og 1,524 mm og hulrommet utgjør mellom 10 og 90$ av det totale ytterflateareal. Et flersjiktsbelegg av stablede metallpartikler er integrert bundet sammen gg til innerflateunderlaget for dannelse av gjensidig forbundne porer av ka-pillarstørrelse, som har en ekvivalent poreradius som er mindre enn ca. 0,1143 mm.

Oppfinnelsen vedrører endelig en fremgangsmåte for økning av varmeoverføringen mellom et første fluidum ved en første innløpstemperatur og et andre fluidum ved en andre utgangstemperatur som er vesentlig lavere enn første innløpstemperatur i en varmeveksler, hvor første fluidum strømmer i kontakt med en første side av et metallunderlag og i det minste delvis kondenseres av det andre, kaldere fluidum som er i kontakt med motstående side av nevnte metallunderlag. Ett enkelt sjikt av tilfeldig fordelte metallegemer tilveiebringes, slik at hvert legeme er bundet til underlagets første side for seg og har avstand fra de øvrige og i det vesentlige er omgitt av nevnte første underlagsside, slik at det dannes hulrom. Den aritmetiske middelhøyde e av legemene er mellom 0,127. mm og 1,524 mm og hulrommet utgjør mellom 10 og 90$ av underlagets totale areal på første side. Første fluidum strømmer i kontakt med nevnte ett-sjiktsbelegg av metallegemer, slik at det dannes kondensat på ytre partier av metallegemene og det således dannede kondensat dreneres fra varmeveksleren gjennom hulrommet. Ved en foretrukket utførelse av foreliggende fremgangsmåte bringes første fluidum i kontakt med og kondenseres i det minste delvis av det ankle metallegeme-sjikt med en varmeoverf øringskoef f isient h, slik at h/huer minst 3,0,, hvor h uer Nusselts varmeoverføringskoeffisient som beskrevet i "Heat Transmission", W.H. McAdams, s. 259-261, McGraw-Hill Book Co., 19^2. Som tidligere antydet, har de kjente kondensasjonsmetoder vært ute av stand til å oppnå denne bedringsverdi, slik at foreliggende oppfinnelse representerer et betydelig fremskritt, når det gjelder kondensasjonsvarmeoverføring.

Fig. 1 er et mikrofoto av ett enkelt sjikt av tilfeldig fordelte metallegemer, som hvert er bundet til et rørformet underlag. Ett-sjikts-belegget ble fremstilt ved at kobberpulver først ble siktet -for oppnåelse av en fraksjon, som passerer gjennom en 20 mesh og holdes igjen på en 30 mesh US standard sikt. Fraksjonens partikler ble belagt med"en 50 vekt-$ oppløs-ning av polyisobutylen i parafin. De belagte kobber-partikler ble blandet med en -325 mesh fosfor-kobber loddelegering bestå-ende av 92 vekt-$ kobber og 8 vekt-$ fosfor, i et forhold på 80 deler kobberpulver til 20 deler fosfor-kobberpulver. Parafinen ble inndampet ved trykkluft-oppvarming av \det belagte pulver. Det resulterende, sammensatte pulver besto av fosfor-kobber loddelegeringspartikler jevnt fordelt og ved hjelp av polyiso-butylenbelegget festet til kobberpartiklenes overflate. Pul-veret var tørrt å ta på og hellbart. Et kobberrør med en indre diameter på 1,905 mm og en ytre diameter på 1,125 mm ble belagt med en 30$-ig oppløsning av polyisobutylen i parafin og de belagte partikler ble strødd på rørets ytterflate. Røret ble ovns-behandlet ved 871°C i 15 minutter i en disassosiert ammoniakk-atmosfære, avkjølt og deretter utprøvet med henblikk på varmeoverf ør ings egenskaper.

Denne forhånds-belegningsmetode er ikke en del av foreliggende oppfinnelse, men er beskrevet i norsk patentskrift nr. (patentsøknad nr. ), som ble innlevert på samme dag som foreliggende søknad.

Det skal bemerkes at de tilfeldig fordelte metall-legemer kan omfatte et flertall partikler som er bundet til hverandre eller en enkelt, forholdsvis stor partikkel.

Ovennevnte varmeoverføringsinnretning kan karakteriseres ved e, som utgjør den aritmetiske middelhøyde av legemene på metallunderlaget. Den ér ogsåkarakterisert vedhulrommets prosentandel av det totale underlagsareal, d.v.s. den prosentandel av underlaget som ikke er dekket av legemenes basisflater. Det er eksperimentelt fastslått at e i det vesentlige svarer til det aritmetiske middel av den minste siktåpning^gjennom hvilken partiklene passerer og den største siktåpning, på hvilken partiklene holdes igjen. Disse forhold er gjengitt i tabell A, som viser at verdien av e for ovennevnte eksperimentelt forbedrede varmeoverf øringsinnretning er ca. 0,711 mm.

For bestemmelse av hulrommet forstørres et oppriss

av varmeoverføringsflaten, f.eks. som vist i fig. 1 ved mikrofoto, og antallet metallegemer pr. underlagsarealenhet bestem-mes ved telling. Det vig/tøe seg at metallegemene har en plan, sirkulær utstrekning og arealet av denne utstrekning pr. legeme ble basert på den sirkulære utstrekningsdiameter, slik at man fikk et grunnlag for beregning av det areal som dekkes av metall-legemene. Hulrommet er det udekkede areal og er her uttrykt som prosentandel av underlagsarealet. På dette grunnlag var hul-

rommet av ovennevnte innretning ca. 30$ av det totale underlagsareal. Fig. 2 viser tre metallegemer a, b og c, som er tilfeldig fordelt på metallunderlaget, bundet til dette og i det vesentlige omgitt av metallunderlag. Fig. 3-A. viser et metall-legeme med en minste dimensjon eller sideutstrekning L.. på metallunderlaget og fig. 3B viser et metallegeme med en største dimensjon eller sideutstrekning L^. Både og L 2 forløper parallelt med metallunderlaget og perpendikulært på høyden e. Fig. 4 viser kondensasjonsvarmeoverførings- og dreneringsmeka-nismen av foreliggende oppfinnelse, hvor kon<y>eksiteten av metall-legemene på toppene bidrar til å øke væskens flateareal. Over-flatespenninger over den konvekse film Aq på slike topper vil motvirkes av det underliggende metall, slik at væsken i en slik konveks film A settes under trykk. På den annen side vil væsketrykket i nærheten av strømningskanalen A eller trauet reduseres som følge av den konkave væskeflate. Væsketrykk-differansen fører til at væske vil strømme fra metallegemenes topp eller ytterende til strømhingskanalen og ved kontinuerlig drift vil medvirke til å fortynne filmen A ± ytterenden og dermed øke varmeoverføringen i den konvekse flate. Kondensat som samler seg i strømningskånalene ^, dreneres fra varmeoverføringsinnretningen under påvirkning av tyngdekraften.

Ovennevnte varmeoverførings-prøvestykke med e på ca. 0,711 mm og et hulrom på ca. 70$ eller en aktiv varmeoverførings-flate A a på 0,30 vil heretter bli kalt prøvestykke 1. Et andre, forbedret varmeoverførings-prøvestykke ble fremstilt med samme pulvere og forhåndsbelegning som omtalt men kobberpulveret pas-serte gjennom 30 mesh og ble holdt igjen på 40 mesh. Den resulterende innretning (heretter kalt prøvestykke 2) hadde en verdi e på 0,508 mm og et hulrom på 50$ eller en aktiv kondensasjons» varme-overføringsflate A3.på 0,50. Prøvestykke 1 og 2 ble ut-prøvet i systemer, hvor både damp og kjølemiddel-114 ble kon-densert i kontakt med det enkle metallegeme-sjikt. Ettersom disse to fluidumer representerer et vidt spektrum av overflate-spenninger, vil resultatene av prøvene passe for i det vesentlige alle fluidumer. Rørene var vertikalt orientert, varmetil-førselen til kokeren ble variert, og rørets veggtemperatur og kondensasjonstemperaturforskjellen ble målt under stabile forhold.

Det ble utviklet en matematisk modell for det enkle metallegemesjikt som illustrert i fig. 4, hvor dreneringen beskrives som strømningsforhold av Nusselt-type, modifisert for å passe til den tilfeldige fordeling av legemene. Det potensielle, aktive varmeoverføringsareal A aer en direkte funksjon av den andel av det totale underlagsareal A^_ på hvilken metallegemene hviler og man tenderer derfor til å maksimere arealet A a. Men areal som opptas av metallegemer er ikke tilgjengelig for kon-densatgjernelse. Ved ethvert nivå av den vertikalt orienterte underlagsflate, må det gjenværende hulrom opprettholdes stort nok til ved hjelp av tyngdekraften å lede alt kondensat som sam-les som følge av kondensasjon på det aktive areal A Si på høyere nivå. Jo mindre hulromsareal, desto dypere vil strømningssjiktet av akkumulert kondensat bli. Når sjiktet øker i dybde,vil mer

og mer av det aktive areal A bli oversvømmet av kondensat og

Sl

bli ineffektivt. Det fremgår således at den aktive andel A Si av underlagsflaten A^ikke kan økes uten begrensning, ellers vil metallegemet som opptar denne aktive andel i realiteten demme opp væskestrømningen og fremme sin egen oversvømmelse. Ved en bred praktisk utnyttelse av foreliggende oppfinnelse bør hulrommet utgjøre minst 10$ ag fortrinnsvis minst 40$. Med andre ord bør metallegemene ikke omfatte mer enn 90$ av det totale underlagsareal og fortrinnsvis ikke mer enn60$.

Begrensningene av den andel av det totale underlagsareal A^som effektivt kan dekkes eller opptas av metallegemene påvirkes videre av metallegemenes størrelse. De fleste prak-tiske former av metallegemer nærmer seg kule- eller halvkule-former, hvor en økning av høyden e medfører en tilordnet økning av det underlagsareal som dekkes av metallegemet. Når et metall-legeme er mindre, vil dets høyde e og dermed dets utstrekning ovenfor det flytende kondensatsjikt reduseres. Omvendt vil metallegemeits økte størrelse medføre økt utstrekning ovenfor kondensatsjiktet.

Det forhold at metallegemeformer vanligvis nærmer seg kule- eller halvkuleform har ytterligere en innvirkning på inn-retningens virkemåte. Jo større metallegemet er, desto større er bueradien av det aktive areal A aog jo mindre og mindre effektive er kreftene som fremmer en film-fortynnende eller film-strippende virkning over det aktive areal. Omvendt vil slike film-fortynnende virkninger være større, jo mindre metall-legemet er.

De ovennevnte faktorer påvirker hverandre i retning av en begrensning av det aktive areal på følgende måte: For å oppnå meget store andeler aktivt areal, nærmere 90$, bør.størrel-sen av legemene e økes tilsvarende mot 1,524 mm. Dette er nød-vendig for å oppnå tilstrekkelig utstrekning av legemene ovenfor kondensatsjiktet, slik at det aktive areal ikke oversvømmes. Men den store bueradius av slike store legemer gjør det aktive areal mindre effektivt, når det gjelder å fortynne kondensatfilmen. Derfor vil voksende økning av det aktive areal ledsages av en voksende reduksjon av hele det aktive areals effekt og at et netto tap av varmeoverføringsbedring.

Det foreligger ytterligere grunner til at det aktive areal A SL og legemehøyden e ikke bør overstige 90$ henholdsvis 1,524 mm. Store legemer tenderer til vanskeligere å la seg binde sikkert til underlaget enn små legemer. Store legemer og det tilordnede store aktive areal representerer et vesentlig krav til metallpartikler som skal fremkalle den bedrede flate og produksjonsomkostningene stiger betydelig. Store andeler av aktivt areal lar seg meget vanskelig oppnå uten lokal stabling av legemene på hverandre og brodannelser over hulrommet. Endelig øker store legemer den totale diameter av rørformede varmeoverf øringselement er og gjør monteringen av slike elementer kom-plisert, samtidig som varmeveksleres totale størrelse økes.

Hvis det benyttes meget små metallegemer, vil deres bueradius være liten og deres film-fortynnende virkning meget stor. Men deres utstrekning over underlagsflaten er liten. Der-for kreves et stort hulrom, slik at det strømmende kondensatsjikt blir grunt. Det fremgår således at små metallegemer nød-vendigvis er forbundet med et ringe aktivt areal. På lignende måte er et ringe aktivt areal nødvendigvis forbundet med små legemer, fordi et ringe aktivt areal må oppheves av den sterke filmfortynnende effekt av små metallegemer.

Ovenstående faktorer samt andre som vil bli omtalt, tenderer til å begrense gjennomføringen av oppfinnelsen"feil hulrom som ikke overstiger 90$ eller aktive arealer A SL som ikke utgjør mindre enn 10$ og til tilsvarende legemestørrelser eller verdier for e som ikke er mindre enn 0,127 mm. Ved lavere andeler av aktivt areal og tilordnede lavere verdier av e, vil oversvøm-melse tendere til å oppveie enhver forbedring av den film-fortynnende virkning og den generelle virkningen blir brått dår-ligere. Man antar at oppriving eller turbulens i det strømmende kondensatsjikt gjentatte ganger oversvømmer de små legemer og reduserer deres effekt betydelig.

Den brå svekkelse av virkningen som er nevnt ovenfor, og som ledsager bruk av meget små aktive arealer, gjør kvali-tetskontrollen av forbedrede kondensasjonsinnretninger meget vanskelig. Virkningssvekkelsen av en ringe avvikelse av det aktive areal kan være meget sterk.

En annen grunn til å begrense hulrommet til 90$ (eller det aktive areal A sl til minst 10$) og legemestørrelsen (eller

e) til minst 0,127mm, er at bittesmå partikler lett ansamles og danner klumper under påføringen av det enkle sjikt av legemer

på underlagsflaten. Dannelsen av slike klumper fører til at det gjenstår forholdsvis store hulrom, hvor det laminære grense-sjikt kan gjendannes og henge ved underlaget, slik at forbedrings-virkningen oppheves.

Endelig er små metallegemer mer følsomme for errosjon og korrosjon. Den effektive levetid av varmevekslere som be-nytter varmeoverføringsinnretninger som er forbedret med metall-legemer med mindre høyde enn 0,127 mm kan således bli prohibitivt kort.

Tabell B viser data fra de omtalte prøver med kjøle-middel 114 og damp ved forskjellig varmefluks for prøvestykke 1 og 2 og sammenligner disse data med forutsagte virkningsdata basert på ovennevnte matematiske modell. De angitte data støtter gyldigheten av den matematiske modell. Rot-middel-kvadrat-av-vikelsen av eksperimentdata fra de forutsagte koeffisienter er mindre enn 25$ og hvis man ser bort fra data for damp ved Q/A

på 30.000 og 20.000 er rot-middel-kvadratavvikelsen mindre enn 15$.

Den matematiske modell ble brukt til utforskning av en enkeltsjikt-flate av metallegemer derfe, L.. og L ? svarer til hverandre og metallegemets ytre ende har halvkuleform. I denne undersøkelse ble kondensasjonsvarme-overføringskoeffisientfor-holdet h/hubestemt for e verdier på 0,254, 0,508, 0,762 og 1,016 mm, som en funksjon av den aktive varmeoverføringsandel A Cl av en flate med ett metallegemesjikt. Disse forhold ble utforsket for kjølemiddel 114 på et ca. 6 m langt, vertikalt rør (fig. 6), etylen på et ca. 3 m langt, vertikalt rør (fig. 7) og damp på et ca. 6 m langt, vertikalt rør (fig. 8). I hvert til-felle ser man bort fra rørdiameteren, idet koeffisientene baserer seg på det to1ibå!»e flateareal.

Fig. 6-8 viser at kondensasjonsvarme-overføringskoef-flsienten h for en gitt verdi e av metallegemehøyden er maksimal ved et aktivt varmeoverførings-flateareal A& med optimal verdi. Flater med Aclverdier som er mindre enn den optimale tenderer til å være mangelfulle hva angår antallet metallegemer.pr. total underlagsarealenhet. Flater med aktive varmeoverføringsverdier Aa større enn det som kreves for optimal virkning tenderer til å ha overskudd på metallegemer, hvilket fører til mindre gode dreneringsegenskaper. Den derav følgende økning av kondensat-dybde medfører delvis eller fullstendig oversvømmelse av metall-legemetoppene med væske, slik at et. signifikant parti av det

potensielle aktive varmeoverføringsareal A etisoleres.

Fig. 6-8 illustrerer også grunnlaget for de brede og smale spektra for tilgjengelig legemehøyde e og hulrom ifølge oppfinnelsen. Eksempelvis kan det vises til fig. 6. Hvis en høyde e på 0,508 mm velges, vil kondensasjonsvarme-overførings-koef f isientf orholdet h/h u bli forholdsvis lavt, hvis A aer mindre enn 0,1 eller mer enn 0,9»Høyeste kondensasjonsvarme-overf øringsf orhold vil oppnås, hvis det velges en verdi A Elinnen det foretrukne spektrum mellom 0,2 og 0,6, d.v.s. et hulrom mellom 40 og 80$ av det totale underlagsareal. I fig. 7 illu-streres at de høyeste kondensasjonsvarme-overføringsforhold oppnås med legemehøyder innen området 0,254 - 1,016 mm. Med andre ord synes verdier e under 0,254 og over 1,016 å gi lavere kondensasjonsvarme-overføringsforhold enn flater med ett lag av metallegemer innenfor dette foretrukne spektrum. Fig. 9 ble utledet av data fra fig. 6-8 og ytterligere data, som ble oppnådd med den matematiske modell for varmeoverføringsrør med lengder mellom 1,5 og 6 m. Fig. 9 ble konstruert ved valg av legemehøyder e og A Si punkter, hvor den største kon-densasjonsvarme-overføringsøkning oppnås og ved at punktene inntegnet og ble forbundet som en rett linje som identifiseres som "optimal økning". Formelen for denne linje utledes som A =

0 5 3 a

3,68 e ' . Fagfolk kan således først velge den ønskede legeme-høyde e og deretter benytte linjen for å identifisere den A Si verdi som vil gi maksimal økning av kondensasjonsvarme-over-føring for den valgte legemehøyde. Den andre linje i fig. 9 er betegnet "70$ av optimal" og ble oppnådd ved at man først lokaliserte et punkt på nedre A Si-side av hver metallegeme-høydekurve e i fig. 6-8, som utgjør 70$ av den maksimale kondensasjons-varme-overføringsøkning h/h^.i Msse^punkter ble inntegnet og forbundet med hverandre for utformning av den andre linje. Formelen for denne ble utledet som A a = 2,38 e 0 ' 72 Denne lin°ie er nyttig for fagfolk ved en vurdering av virkningen ved bruk av vesentlig færre metallegemer av en gitt høyde e for dannelse av en rimeligere innretning ifølge oppfinnelsen.

Det er viktig å forstå at innretningen ifølge oppfinnelsen er helt forskjellig fra porøs en fler-sjikt-kokefåate, d.v.s. som angitt av Milton i US patentskrift 3 384 154, hvor metallpartikler er stablet og integrert bundet til hverandre og til metallunderlaget for dannelse av gjensidig forbundne porer av kapillarstørrelse. Porøse kokeflater ville ikke være hensikts-messige for kondensasjonsvarme-overføring ifølge oppfinnelsen, fordi deres gjensidig forbundne porøse struktur ville hindre effektiv drenering av flytende kondensat fra varmeveksleren.

På den annen side kan porøse, fler-sjikts kokefHåter med fordel benyttes i kombinasjon med en flate med ett sjikt av metallegemer hvor andre fluidum skal kokes i varmevekslings-forhold med det kondenserende første fluidum.

I prosesser rsom omfatter kondensasjon på glatte rør, er den individuelle kondensasjonsvarme-overføringskoeffisient typisk i en størrelsesorden på 500 BTU/time, fot2, °F. Følgelig er den generelle koeffisient som realiseres i varmevekslere som er utstyrt med glatte rør ca. 330 BTU/time, fot , F og varmevekslere som er utstyrt med en bedret kondensasjonsflate ifølge oppfinnelsen, som gir en bedring på 400$ av kondensasjonsside-koeffisienten, gi en 200$ bedring av den generelle varmeoverføringskoeffisient. Men kokekoeffisienter på 12.000 BTU/time,

2 o o

fot , F kan oppnås ved bruk av det porøse flersjiktbelegg og der-for vil en bedring av kondensasjonsvarme-overføringskoeffi-sienten fra verdien for glatt rør på 500 BTU/time, fot<2>, °F

ha tilnærmet proporsjonal effekt på den generelleTarmeover-føringskoeffisient, hvorved det tilveiebringes en innretning for fremstilling av utstyr med en generell koeffisient på flere tusen BTU/time, fot2, °F.

Fig. 5 er et strømningsskjema, som viser et eksempel på en kommersiell utnyttelse av foreliggende oppfinnelse ved en to-kolonne-hovedkondensator for separasjon av frysemiddel og luft ved kondensasjonsvarmeoverføring. Kald luft mates inn gjennom ledningen 10 til basis av nedre kolonne 11 med høyere trykk, hvor luften stiger i motstrøm mot oksygenanriket væske i et masseoverføringsforhold ved bruk av destillasjonsbrett 12

i innbyrdes avstand. Nitrogendampen som når øvre ende av nedre kolonne 11, trer inn i hovedkondensatoren 13 og "kondenseres ved varmeoverføring mot kokende, flytende oksygen i nedré ende av øvre kolonne 14 med lavere trykk for tilveiebringelse av en tilbakeløpsvæske for nedre kolonne. Den bedrede varmeoverføringsinnretning ifølge oppfinnelsen er anordnet på nitrogen-siden med høyere trykk av hovedkondensatoren 13 og om ønsket,

kan det anordnes et porøst flerpartikkelsjikt ifølge US patentskrift 3 384 154 på hovedkondensatorens oksygenside.

Ved praktisk gjennomføring av oppfinnelsen dikteres konstruksjonsmaterialvalget av økonomiske hensyn og funksjons-behov, som f.eks. vedrører motstandsevne mot korrosjon og/eller errosjon.

Metallegemeflaten av prøvestykket som er omtalt ovenfor, omfattet kobber som hovedkomponent og fosfor som mindre komponent. Andre kommersielt anvendelige kombinasjoner omfatter jern som hovedkomponent og nikkel som mindre komponent og aluminium som hovedkomponent og silikon som mindre komponent.

Den bedrede varmeoverføringsinnretning ifølge oppfinnelsen er spesielt beskrevet i forbindelse med anordning på rørs utside, men kan med fordel også benyttes for metallunderlag av enhver form, deriblant flate plater eller ujevne former.

Skjønt spesielle utførelseseksempler ecv oppfinnelsen er beskrevet i detalj, vil det være innlysende at visse trekk kan gjennomføres uten andre og at modifikasjoner kan gjennom-føres innenfor oppfinnelsens ramme, slik denne er angitt i kra-vene.

Claims (18)

1. Varmeoverføringsinnretning, karakterisert ved at den omfatter et metallunderlag og ett enkelt sjikt av tilfeldig fordelte metallegemer som hvert er individuelt bundet til en første side av underlaget i avstand fra de øvrige legemer og i det vesentlige omgitt av underlagets første side for dannelse av hulrom, hvor den aritmetiske middelhøyde e av legemene er mellom 0,127 mm og 1,524 mm og hvor hulrommet utgjør mellom 10 og 90$ av det totale underlagsareal.

2. Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den aritmetiske middelhøyde e av legemene er mellom 0,254 mm og 1,016 mm.

3. Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at hulrommet utgjør mellom 40 og 80$ av det totale underlagsareal.

4. Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at første side av nevnte metallunderlag er ytterflaten av et rør.

5» Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at første side av nevnte metallunderlag er ytterflaten av et rør og at ytre diameter av nevnte rør er mellom 15,24 og 50» 8 mm.

6. Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at et fler-sjikt-belegg av stablede metallpartikler bindes integrert sammen og til motsatt side av metall-underlaget for dannelse av gjensidig forbundne porer av kapillarstørrelse med en ekvivalent poreradius mindre enn ca. 0,1143 mm (4,5 mils).

7. Varmeoverføringsinnretning, karakterisert ved at den omfatter et metallrør med et innerflateunderlag med et fler-sjikt-belegg av stablede metallpartikler som er integrert bundet sammen og til innerflateunderlaget for dannelse av gjensidig forbundne porer av kapillarstørrelse som bar en ekvivalent poreradius mindre enn ca. 0,1143 mm, og et ytterflateunderlag med ett enkelt sjikt av tilfeldig fordelte metallegemer som hvert er individuelt bundet til nevnte ytterflateunderlag i innbyrdes avstand og i det vesentlige er omgitt av ytterflateunderlaget, slik at det dannes hulrom, hvor den aritmetiske middelhøyde e av legemene er mellom 0,127 mm og 1,524 mm og hulrommet utgjør mellom 10 og 90$ av ytterflateunderlagets totale areal.

8. Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at flere partikler som er bundet sammen, danner nevnte metallegemer.

9» Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at metallegemene består av en blanding av kobber som hovedkomponent og fosfor som mindre komponent.

10. Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at metallegemene best,r av en blanding av jern som hovedkomponent og fosfor og nikkel som mindre komponenter.

11. Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at metallegemene består av en blanding av kobber som hovedkomponent og fosfor og nikkel som mindre komponenter.

12. Varmeveksler med flere metallrør, som forløper i flukt med hverandre i lengderetningen og har innbyrdes avstand i tverr-retning og som i motståendé ender er forbundet med fluiduminn-løps- og fluidumutløps-manifolder, og en mantel som omgir rørene og er utstyrt med organer for fluidumtilførsel og fluidumutløp, hvor hvert rør har et innerflateunderlag og et ytterflateunderlag, karakterisert ved ett enkelt sjikt av tilfeldig fordelte metallegemer som hvert er bundet til underlaget for seg i avstand fra de øvrige og i det vesentlige er omgitt av nevnte ytterflateunderlag, slik at det dannes hulrom, med en aritmetisk middelhøyde e av nevnte legemer på ytterflateunderlaget mellom 0,127 mm og 1,524 mm og med hulrom som utgjør mellom 10 og 90$ av ytterflateunderlagets totale areal, samt et flersjiktbelegg av stablede metallpartikler som er integrert bundet sammen og til nevnte innerflateunderlag for dannelse av gjensidig forbundne porer av kapillarstørrelse, som har en ekvivalent poreradius mindre enn 0,1143 mm.

13» Varmeveksler som angitt i krav 12, karakterisert ved at den aritmetiske middelhøyde e av legemene er mellom 0,254 og 1,016 mm.

14. Varmeveksler som angitt i krav 12, karakterisert ved at hulrommet utgjør mellom 40 og 80$ av ytterflateunderlagets totale areal.

15. Fremgangsmåte for bedret varmeoverføring mellom et før-ste fluirum ved en første innløpstemperatur og et andre fluidum ved en andre utgangstemperatur, som er vesentlig lavere enn nevnte første innløpstemperatur, h <y> or nevnte første fluidum får strømme i kontakt med første side av et metallunderlag og i det minste delvis kondenseres av det andre, kaldere fluidum som har kontakt med motstående side av nevnte metallunderlag, kara k-teris'ert ved følgende trinn: det dannes ett sjikt av tilfeldig fordelte metallegemer som hvert er bundet til første side av underlaget for seg, i avstand fra de øvrige legemer og i det vesentlige omgitt av underlagets første side slik at det dannes et hulrom, hvor den aritmetiske middelhøyde e av legemene er mellom 0,127 og 1,524 mm og hulrommet utgjør mellom 10 og 90$ av underlagets totale areal på nevnte første side, et nevnte første fluidum får strømme i kontakt med det enkle metallegeme- sjikt for dannelse av et kondensat på ytre parti av metallegemene og at det således dannede kondensat dreneres fra nevnte varmeveksler gjennom nevnte hulrom.

16. Fremgangsmåte som angitt i krav 15, karakterisert ved at første fluidum bringes i kontakt med og iddet minste delvis kondenseres av det enkle metallegeme-sjikt med et varmeoverf ørings-koef f isientf orhold til en glatt flate h./ h.^ på minst 3«

17» Fremgangsmåte som angitt i krav 15»karakterisert ved at et fler-sjikt-belegg av stablede metallpartikler bindes integrert sammen og til motstående side av nevnte metallunderlag for dannelse av gjensidig forbundne porer med en ekvivalent poreradius mindre enn 0,ll43 nun og at det andre, kaldere fluidum kokes i kontakt med nevnte fler-sjikt-belegg.

18..Varmeoverføringsinnretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at metallegemene består av en blanding av aluminium som hovedkomponent og silikon som mindre komponent.