DE1199292B

DE1199292B - Heat exchanger with a wall having groove-shaped channels for transferring a heat flow into an at least partially evaporating liquid

Info

Publication number: DE1199292B
Application number: DEC29199A
Authority: DE
Inventors: Charles Beurtheret; Saint Germain En Laye
Original assignee: Compagnie Francaise Thomson Houston SA
Current assignee: Compagnie Francaise Thomson Houston SA
Priority date: 1962-02-23
Filing date: 1963-02-19
Publication date: 1965-08-26
Also published as: CH392581A; OA00351A; NL142234B; ES285319A1; NL283690A; AT241502B; BE622915A; FR1344216A; SE313584B

Description

Wärmeaustauscher mit einer putenförmige Kanäle aufweisenden Wand zur übertragung eines Wärmeflusses in eine mindestens teilweise verdampfende Flüssigkeit Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher mit einer putenförmige Kanäle aufweisenden wärmeleitfähigen Wand zur übertragung des von einem heißen Körper oder Wärmeerzeuger ausgehenden Wärmeflusses an eine die wärmeabgebende Wandfläche benetzende und dabei zumindest teilweise zur Verdampfung gelangende Flüssigkeit, wobei die Breite der putenförmigen Kanäle weniger als ein Drittel ihrer Tiefe beträgt.Heat exchanger with a wall having turkey-shaped channels Transfer of a heat flow into an at least partially evaporating liquid The invention relates to a heat exchanger with a turkey-shaped channel thermally conductive wall for the transmission of heat from a hot body or heat generator outgoing heat flow to a wetting the heat-emitting wall surface and thereby at least partially evaporating liquid, the width of the turkey-shaped canals are less than a third of their depth.

Bekanntlich findet der Wärmeübergang zwischen einem Oberflächenteil einer als isotherm angenommenen Wand und einer ihre Sättigungs- oder Siedetemperatur angenommenen Flüssigkeit nach einer nichtlinearen Gesetzmäßigkeit statt, deren allgemeiner Kurvenverlauf in Form der sogenannten Nukiyama-Kurve in F i g. 1 wiedergegeben ist. In diesem Kurvenbild, das den Fall behandelt, in welchem die Flüssig, keit Wasser mit der Temperatur von 100° C ist, sind als Abzissen die dem wärmeabgebenden Wandteil auferlegte Temperatur in Celsiusgraden und als Ordinaten der von diesem Wandteil an die Flüssigkeit übertragene Wärmefluß aufgetragen. In dieser Kurve unterscheidet man gewöhnlich vier Bereiche A, B, C und D, von denen der Bereich A bis zum Kurvenpunkt L natürlicher Konvektion ohne Sieden, der Bereich B zwischen den Kurvenpunkten L und M dem normalen Siedevorgang, der Bereich C zwischen den Kurvenpunkten M und N einer übergangszone mit instabiler Siedung und der Bereich D oberhalb des Kurvenpunktes N einer filmartigen Verdampfung entspricht. In dem Betriebsfalle, daß die Temperatur des wärmeabgebenden Wandteils vorgeschrieben ist, erfolgt der Wärmeaustausch zwischen diesem Wandteil und der Flüssigkeit unabhängig vom betreffenden Betriebspunkt dieser Kurve stabil. Wenn aber der dem betreffenden Wandteil zugeordnete heiße Körper oder Wärmeerzeuger einen zunehmenden Wärmefluß vorschreibt, steigt der Betriebspunkt auf dem Kurvenzweig LM rasch an und läuft nach überschreiten des Maximums M plötzlich auf einen oberhalb des Punktes Q gelegenen Betriebspunkt, was einer plötzlichen Erhitzung der Wand um etwa 1000° C entspricht. Diese plötzliche Erhitzung ist die Folge des sogenannten Leidenfrostschen Phänomens, das im übrigen dem Betriebspunkt M den Namen »Leidenfrost-Punkt« gegeben hat. Die Tatsache, daß das überschreiten des Leidenfrost-Punktes in einem Wärmeaustauscher mit vorgeschriebenem Wärmefluß zu einer plötzlichen Überhitzung der Wärmeaustauschwand führt, hat meist die Zerstörung dieser Wärmeaustauschwand zur Folge.As is well known, the heat transfer between a surface part of a wall assumed to be isothermal and a liquid assumed to have its saturation or boiling temperature takes place according to a non-linear law, the general curve of which is in the form of the so-called Nukiyama curve in FIG. 1 is reproduced. In this graph, which deals with the case in which the liquid is water at a temperature of 100 ° C, the temperature imposed on the heat-emitting wall part in degrees Celsius are plotted as abscissas and the heat flux transferred from this wall part to the liquid as the ordinates. This curve usually distinguishes between four areas A, B, C and D, of which area A up to curve point L is natural convection without boiling, area B between curve points L and M is normal boiling, and area C is between curve points M. and N corresponds to a transition zone with unstable boiling and the area D above the curve point N corresponds to a film-like evaporation. In the operational case that the temperature of the heat-emitting wall part is prescribed, the heat exchange between this wall part and the liquid takes place in a stable manner regardless of the relevant operating point of this curve. If, however, the hot body or heat generator assigned to the relevant wall part prescribes an increasing heat flow, the operating point on the curve branch LM rises rapidly and, after exceeding the maximum M, suddenly runs to an operating point above the point Q, which causes the wall to suddenly heat up by about 1000 ° C. This sudden heating is the result of the so-called Leidenfrost phenomenon, which incidentally has given the operating point M the name »Leidenfrost point«. The fact that exceeding the Leidenfrost point in a heat exchanger with a prescribed heat flow leads to a sudden overheating of the heat exchange wall usually results in the destruction of this heat exchange wall.

Um diese Gefahr der Zerstörung der Wärmeaustauschwand zu vermeiden, ist man in bisher üblicher Weise meist bestrebt, die Ordinate des Betriebspunktes M zu erhöhen, indem möglichst rasch durch Eingabe unverdampften Wassers die auf den Oberflächen gebildeten Dampfschichten beseitigt werden. Die Mittel beruhten in der das Dampfvolumen vermindernden Druckerhöhung und der Zuhilfenahme eines die Dampfblasen wegtreibenden schnellen Flüssigkeitsumlaufs. Somit blieben die Betriebspunkte in dem Kurvenbereich B normalen Siedens, und man war darauf bedacht, diese Betriebspunkte weit genug vom Punkt M zu halten, um einen Sicherheitsbereich zu wahren und damit den Gefahren des Leidenfrostschen Phänomens und der von diesem Betriebspunkt M an beginnenden Möglichkeit einer Zerstörung der Wärmeaustauschwand zu begegnen. Demzufolge benutzte man bisher systematisch isotherme Wärmeaustauschflächen, da jede Stelle dieser Wand, die heißes als die mittlere Temperatur derselben gewesen wäre, die zerstörende Wirkung des Leidenfrostschen Phänomens verstärkt hätte.To avoid this risk of destroying the heat exchange wall, one strives in the usual way to date, the ordinate of the operating point Increase M by entering the unevaporated water as quickly as possible The vapor layers formed on the surfaces are removed. The funds were based in the pressure increase reducing the steam volume and the aid of a die Rapid fluid circulation that expels vapor bubbles. Thus the operating points remained in the curve area B normal boiling, and care was taken to keep these operating points to keep far enough from point M to maintain a safety area and thus the dangers of the Leidenfrost phenomenon and those from this operating point M onwards to counter the incipient possibility of destruction of the heat exchange wall. As a result so far, isothermal heat exchange surfaces have been used systematically, since every point that wall that would have been hotter than the mean temperature of the same that the destructive effect of the Leidenfrost phenomenon.

Eine demgegenüber völlig andere Technik des Wärmeaustausches einer an eine Flüssigkeit wärmeabgebenden Wand besteht bekanntlich darin, die das Verdampfen der Flüssigkeit hervorrufende Wandoberfläche mit massiven wärmeleitenden Rippen oder Höckern zu versehen, deren Fußstärke gegenüber der Bodenbreite der von den Rippen oder Höckern begrenzten Kanäle groß gehalten ist, wobei die Oberflächen der einzelnen Vorsprünge so groß im Vergleich zu den Abmessungen der entstehenden Dampfbläschen gehalten sind, daß ein mit der Wandoberfläche in Berührung stehendes Flüssigkeitshäutchen an allen Punkten der Wärmeaustauschwand dauernd erneuert wird. Auf Grund dieser Maßnahme befinden sich die Vorsprünge mit ihrem freien Ende ständig in der Kühlflüssigkeit oberhalb des Bereiches, der von dem Dampf eingenommen wird, der sich in Berührung mit der heißen Wand und über dem Fuß der Vorsprünge seitlich der Wand bildet. Die massiven Vorsprünge der Wand sind hierbei zueinander so «reit entfernt, daß sich der durch den Wärmeaustausch erzeugte Dampf in den sie trennenden vertikalen Kanälen sammelt und in einer raschen Thermosiphonbewegung aufwärts strebt. Diese vertikalen Kanäle können seitlich offen oder auch durch eine seitliche Wandung geschlossen sein, die zur Leitung der Umströmung der durch den Dampf angetriebenen Flüssigkeit beiträgt. Derartige Vorrichtungen werden zur Siedekühlung der Anoden von Elektronensenderöhren benutzt. Ihre Wirksamkeit ist überraschend, da bei ihrer Anwendung ein einfaches Bad siedenden Wassers wirkungsvoller für die Kühlung als ein zwangsweise herbeigeführter Umstrom unter Druck in Berührung mit einer heißen Wand stehenden kalten Wassers ist.A completely different technology of heat exchange on a liquid heat-emitting wall is known to be the fact that the evaporation the surface of the wall causing the liquid with massive heat-conducting ribs or To provide cusps, their foot thickness compared to the width of the floor of the channels delimited by the ribs or humps is kept large, with the surfaces of the individual protrusions so large compared to the dimensions of the resulting Vapor bubbles are held that a standing with the wall surface in contact Liquid membrane is constantly renewed at all points of the heat exchange wall. Due to this measure, the projections are always with their free end in the cooling liquid above the area occupied by the vapor, which is in contact with the hot wall and above the base of the protrusions laterally the wall forms. The massive protrusions of the wall are so close to one another removes that the steam generated by the heat exchange in the separating them vertical channels and strives upwards in a rapid thermosiphon movement. These vertical channels can be open at the side or through a side wall be closed, which is used to direct the flow around the driven by the steam Fluid contributes. Such devices are used for evaporative cooling of the anodes used by electron transmitter tubes. Their effectiveness is surprising, as is theirs Applying a simple bath of boiling water is more effective for cooling than a forced circulation under pressure in contact with a hot one Wall of standing cold water is.

Bei den so gebildeten Siedekühlvorrichtungen stellt sich der Siedevorgang auf nichtisothermen Oberflächen ein, und über ihren Betrieb angestellte Untersuchungen haben gezeigt, daß ihre Wirksamkeit vor allem auf die Stabilisierung eines gleichmäßigen Temperaturgradienten längs der Flanken der massiven Vorsprünge zurückzuführen ist. Man hat festgestellt, daß die dem Betriebspunkt M der Kurve der F i g. 1 entsprechende örtliche Wandtemperatur von 125° C in einem Temperaturfeld mit stetig örtlich sich ändernden Temperaturen zwischen dem Bereich B normalen Siedens entsprechenden kälteren Zonen und dem Übergangsbereich C entsprechenden wärmeren Zonen auftritt. Der Übergangsbereich ist somit temperaturstabilisiert und kann demzufolge ohne jegliche Gefahr einer Zerstörung der Wärmeaustauschfläche verwendet werden. Die Gefahr des Auftretens des Leidenfrostschen Phänomens ist nämlich durch die gute Wärmeleitung zwischen benachbarten Oberflächenteilen ein und desselben Vorsprungs beseitigt. Diese gute Wärmeleitung schließt die Gefahr einer örtlichen Erhitzung von etwa l000° C aus, bei der der Betriebspunkt über den Punkt Q der Kurve hinauslaufen würde. Im übrigen wurde bereits vorgeschlagen, diesen Wärmeaustausch noch zu verbessern und die hierfür notwendige Stabilisierung des Temperaturgradienten längs der Vorsprünge der Wärmeaustauschwandung zu erhöhen, indem die Vorsprünge mit Verlängerungen versehen sind, die so ausgebildet sind, daß die Wärmeberührung zwischen der Flüssigkeit und dem freien Ende des betreffenden Vorsprunges verbessert wird, wobei das freie Ende selbst an dem Wärmeaustausch durch Sieden nicht teilnimmt.The boiling process occurs in the so-formed evaporative cooling devices on non-isothermal surfaces, and investigations made about their operation have shown that their effectiveness is mainly due to the stabilization of a uniform Is due to temperature gradients along the flanks of the massive protrusions. It has been found that the operating point M of the curve in FIG. 1 corresponding local wall temperature of 125 ° C in a temperature field with continuously local itself changing temperatures between the range B normal boiling corresponding colder Zones and the transition area C corresponding warmer zones occurs. The transition area is thus temperature-stabilized and can therefore be used without any risk of Destruction of the heat exchange surface can be used. The risk of occurrence the Leidenfrost phenomenon is due to the good heat conduction between adjacent surface parts of one and the same protrusion eliminated. This good one Thermal conduction eliminates the risk of local heating of around 1000 ° C, at which the operating point would exceed point Q of the curve. Furthermore it has already been proposed to improve this heat exchange and to improve it necessary stabilization of the temperature gradient along the projections of the heat exchange wall to increase by providing the projections with extensions, which are so formed are that the thermal contact between the liquid and the free end of the relevant Projection is improved, the free end itself taking part in the heat exchange through Boiling does not participate.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich des gleichen Verfahrens der Stabilisierung eines stetigen Temperaturgradienten an einer absichtlich nicht isothermen heißen Wand bedient, die von einer bei Berührung mit ihr siedenden Flüssigkeit benetzt wird, und der noch höhere Leistungen gegenüber den früher diesseits vorgeschlagenen entsprechenden Vorrichtungen abzugeben in der Lage ist.The invention is now based on the object of a heat exchanger of the type mentioned to create the same process of stabilization a steady temperature gradient at an intentionally non-isothermal hot Wall operated, which is wetted by a liquid that boils when it comes into contact with it will, and the even higher performance compared to the earlier proposed on this side appropriate devices is able to deliver.

Diese Aufgabe ist bei einem Wärmeaustauscher der eingangs definierten Art im wesentlichen dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die zwischen den Kanälen liegenden Teile der Wand in Querrichtung zu den Kanälen eine mittlere Stärke aufweisen, die mit der Kanaltiefe und der Wärmeleitfähigkeit des die Wand bildenden Werkstoffs durch die Gleichung verknüpft ist, wobei b die Kanaltiefe, a die mittlere Stärke der zwischen den Kanälen befindlichen Wandteile und c deren Wärmeleitfähigkeit ist und b und a in Zentimeter und c in W/cm - °C einzusetzen sind und schließlich m in der Größenordnung von 1 liegender numerischer Faktor ist.In a heat exchanger of the type defined at the outset, this object is essentially achieved in that, according to the invention, the parts of the wall lying between the channels have an average thickness in the transverse direction to the channels, which corresponds to the channel depth and the thermal conductivity of the material forming the wall by the equation where b is the channel depth, a is the mean thickness of the wall parts located between the channels and c is their thermal conductivity and b and a are to be used in centimeters and c in W / cm - ° C and finally m in the order of magnitude of 1 is numerical Factor is.

Vorzugsweise beträgt die Breite der Kanäle ein Fünftel bis ein Zwölftel ihrer Tiefe. Zweckmäßig ist die Tiefe der Kanäle größer als die Hälfte der Stärke der Wand. Auch ist es in vielen Fällen günstig, wenn der Faktor m in dem Bereich von 0,7 bis 1,8 liegt.The width of the channels is preferably one fifth to one twelfth their depth. The depth of the channels is expediently greater than half the strength the wall. It is also favorable in many cases if the factor m is in the range from 0.7 to 1.8.

Unter den vorerwähnten bekannten mit Siedekühlung arbeitenden Wärmeaustauschern gibt es gewisse Ausführungsformen, bei denen gewisse Wandungsbereiche in Form von nutförmigen Kanälen vorgesehen sind und die betrachtet werden können, als seien sie durch eine starke Wand gebildet, in die solche Kanäle eingearbeitet sind. Bei dem hier vorgeschlagenen Wärmeaustauscher weisen jedoch die nutenförmigen Kanäle eine besondere Abmessung auf, die eine ganz spezielle Betriebsweise zur Folge hat. Während nämlich die nutförmigen Kanäle bisher bekannter Wärmeaustauscher im Innern des Gesamtvolumens des Aufbaues befindliche Dampfsammler bilden, stellen die nutförmigen Kanäle des hier vorgeschlagenen Wärmeaustauschers Dampferzeuger dar, die dazu neigen, den Dampf aus ihren Boden in einer etwa senkrecht zur Wand stehenden Richtung auszutreiben. Der so erfolgte Wegfall von Dampfsammelkanälen läßt die Nutzfläche des Wärmeaustauschers erhöhen. Vor allem die Außenbereiche der zwischen den Kanälen befindlichen Wärmeleitteile der Wärmeaustauschwandung bleiben mit der Flüssigkeit in guter Berührung, während sich der Dampf erst in einer gewissen Entfernung von Wand ansammelt. Bei den bisher üblichen Wärmeaustauschern tauchen diese Enden der Wärmeleitteile der Wandung in die Flüssigkeit nur oberhalb des vom Dampf eingenommenen Bereichs ein. Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Wärmeaustauscher weist demgegenüber eine wesentlich größere Wärmeaustauschfläche auf und ist daher gegenüber den bekannten Wärmeaustauschern bei gleichem Volumen leistungsfähiger.Among the aforementioned known heat exchangers operating with evaporative cooling there are certain embodiments in which certain wall areas in the form of Groove-shaped channels are provided and which can be viewed as being it is formed by a strong wall in which such channels are incorporated. at However, the heat exchanger proposed here have the groove-shaped channels a special dimension, which results in a very special mode of operation. While namely the groove-shaped channels of previously known heat exchangers inside of the total volume of the structure located steam collectors, make the groove-shaped Channels of the heat exchanger proposed here represent steam generators which tend to to expel the steam from their bottom in a direction approximately perpendicular to the wall. The elimination of steam collecting ducts in this way leaves the usable area of the heat exchanger raise. Especially the outer areas of the heat conducting parts located between the channels the heat exchange wall remain in good contact with the liquid while the steam only collects at a certain distance from the wall. With the so far Conventional heat exchangers immerse these ends of the heat conducting parts of the wall in the liquid only above the area occupied by the vapor. According to the invention In contrast, the proposed heat exchanger has a much larger heat exchange surface and is therefore the same volume as the known heat exchangers more powerful.

Der grundsätzliche Aufbau und die Betriebsweise des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers gehen im einzelnen aus den F i g. 2 bis 4 der Zeichnung hervor.The basic structure and mode of operation of the invention Heat exchanger go in detail from the F i g. 2 to 4 of the drawing.

F i g. 2 zeigt schematisch im Schnitt den grundsätzlichen Aufbau einer Wärmeaustauschwand gemäß der Erfindung. Hierbei ist mit dem gestrichelten Linien-zug e-f-g-h der Umriß der Wärmeaustauschwand eines bisher bekannten, diesseits vorgeschlagenen Wärmeaustauschers des nichtisothermen Systems eingezeichnet. Die Wand 1 des hier vorgeschlagenen Wärmeaustauschers empfängt im Betrieb einen seine Fläche durchquerenden Wärmefluß und besitzt Wärmeleitteile 3 begrenzende nutförmige Kanäle 4. Die Wärmeleitteile 3 stehen hierbei mit der Wand 1 in stofflicher Einheit; sie sind hier nur wegen des Vorhandenseins der Kanäle 4 gesondert unterschieden und bezeichnet. Die nutförmigen Kanäle 4 sind schmal und tief; ihre Tiefe b in der zu den Wärmeflußlinien 5 der abzugebenden Wärme paralleler Richtung ist entsprechend dem jeweiligen Fall fünfbis zwölfmal so groß wie die Abmessung ihrer Breite d. Die Kanäle 4 des hier vorgeschlagenen Wärmeaustauschers sind daher anders als diejenigen Kanäle, welche die massiven Rippen oder Höcker bei den vorbekannten Wärmeaustauschern trennen und hier mit e-f-g-h angedeutet sind; diese Kanäle bisher üblicher Wärmeaustauscher besitzen nämlich eine Breite 6 und Tiefe 7, die praktisch von der gleichen Größenordnung sind.F i g. 2 shows schematically in section the basic structure of a heat exchange wall according to the invention. Here, with the dashed line train efgh the outline of the heat exchange wall of a previously known, located on this side of the heat exchanger proposed non-isothermal system. The wall 1 of the heat exchanger proposed here, receives a traversing its surface heat flux in operation and has heat-conduction 3-limiting groove-shaped channels 4. The heat conducting members 3 are provided in this case with the wall 1 in unit of material; they are only distinguished and designated separately here because of the presence of the channels 4. The groove-shaped channels 4 are narrow and deep; its depth b in the direction parallel to the heat flow lines 5 of the heat to be given off is five to twelve times as great as the dimension of its width d, depending on the respective case. The channels 4 of the heat exchanger proposed here are therefore different from those channels which separate the massive ribs or humps in the previously known heat exchangers and are indicated here with efgh; In fact, these channels of previously common heat exchangers have a width 6 and depth 7 which are practically of the same order of magnitude.

Die Länge der Wärmeleitteile 3 der Wand 1 ist gleich der Tiefe b der nutförmigen Kanäle 4; ihre Breite a, die gleich dem Abstand zwischen jeweils benachbarten Kanälen ist, wird in einer zum Wärmefiuß 5 senkrechten Ebene gemessen. Die dritte Dimension dieser Wärmeaustauschteile 3, die senkrecht zur Zeichenebene steht und daher in der Zeichnung nicht sichtbar ist, ist mindestens gleich der Breite a, vorzugsweise größer als diese. Die Abmessungen a und b sind mit der Wärmeleitfähigkeit c des die Wand bildenden Werkstoffs durch die Gleichung verknüpft, wobei b und a in Zentimeter und c in Wlcm - ° C einzusetzen sind und m ein in der Größenordnung von 1 liegender numerischer Faktor ist. Für Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer oder Bronze oder mit nennenswerter Wärmeleitfähigkeit wie Graphit und bei Verwendung von unterAtmosphärendruck stehendem Wasser als Kühlflüssigkeit ist der Faktor m vorzugsweise etwas über 1, beispielsweise zwischen 1 und 1,5, insbesondere mit 1,25 zu wählen.The length of the heat conducting parts 3 of the wall 1 is equal to the depth b of the groove-shaped channels 4; its width a, which is equal to the distance between adjacent channels, is measured in a plane perpendicular to the heat flux 5. The third dimension of these heat exchange parts 3, which is perpendicular to the plane of the drawing and therefore not visible in the drawing, is at least equal to the width a, preferably greater than this. The dimensions a and b are with the thermal conductivity c of the material forming the wall by the equation linked, where b and a are to be used in centimeters and c in Wlcm - ° C and m is a numerical factor in the order of magnitude of 1. For materials with high thermal conductivity such as copper or bronze or with significant thermal conductivity such as graphite and when using water under atmospheric pressure as the cooling liquid, the factor m should preferably be selected slightly above 1, for example between 1 and 1.5, in particular 1.25.

Die vorstehende, aus theoretischen überlegungen und diesseits angestellten experimentellen Versuchen entstandene Gleichung gestattet, die Teile der Kühlvorrichtung so zu bemessen, daß der Temperaturverlauf über die gesamte Länge b der Wärmeleitteile 3 selbst bei äußerst hohen Wärmeabgabewerten stetig bleibt. Es ist zu bemerken, daß infolge des die Größen a und b miteinander verknüpfenden nichtlinearen Gesetzes zwei Aufbauten verschiedener Abmessungen untereinander nicht vergleichbar sind: Das Verhältnis Stärke zu Länge ist für lange Teile größer als für kurze Teile. Beispielsweise beim = 1,25 und unter Verwendung von Kupfer (c = 3,7) führt eine Massivteilbreite a = 1 cm zu einer Kanaltiefe b = 2,5 cm, während man für b = 1 cm die Stärke a = 0,16 cm erhält. Es kann dabei vorkommen, daß bei sehr geringen Längen die Wärmeträgheit der Massivteile nicht mehr ausreicht, um die Stetigkeit des Temperaturverlaufs sicherzustellen. Man kann demnach das scheinbar widersinnige Interesse haben, für die Wand weniger gut wärmeleitendes Metall zu verwenden, da es gestattet, wärmeabgebende Teile der i gleichen Länge mit einer größeren Stärke herzustellen. Andererseits würde die Verwendung von Massivteilen, deren Stärke a unter Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit deren Werkstoffs zu groß für ihre Länge b wäre, die Angaben der Erfindung verlassen und zu einem Wandungsaufbau führen, der dem Leidenfrostschen Phänomen in einem Wärmeabgabebereich, der sehr viel unterhalb des durch die Erfindung erreichbaren liegt, nicht entkommen würde.The above equation, resulting from theoretical considerations and experimental experiments carried out on this side, allows the parts of the cooling device to be dimensioned in such a way that the temperature profile over the entire length b of the heat conducting parts 3 remains constant even with extremely high heat emission values. It should be noted that, as a result of the non-linear law linking the quantities a and b , two structures of different dimensions cannot be compared with one another: The ratio of strength to length is greater for long parts than for short parts. For example, with = 1.25 and using copper (c = 3.7), a solid part width a = 1 cm leads to a channel depth b = 2.5 cm, while for b = 1 cm the thickness is a = 0.16 cm receives. It can happen that with very short lengths the thermal inertia of the solid parts is no longer sufficient to ensure the continuity of the temperature profile. One can therefore have the seemingly absurd interest in using less heat-conducting metal for the wall, since it allows heat-emitting parts of the same length to be produced with a greater thickness. On the other hand, the use of solid parts, the thickness a of which, taking into account the thermal conductivity of their material, would be too great for their length b, would leave the specifications of the invention and lead to a wall structure that complies with the Leidenfrost phenomenon in a heat emission area that is very much below that caused by the Invention is achievable, would not escape.

In der schematischen Darstellung der F i g. 2 besitzen die nutförmigen Kanäle 4 eine über ihre gesamte Tiefe konstante Breite d. In besonderen Fällen jedoch, vor allem bei Verwendung großer Werte für die Tiefe b, kann es vorteilhaft sein, daß die Kanäle 4 einen in der Zeichenebene der F i g. 2 liegenden Querschnitt besitzen, der sich nach außen hin leicht ausweitet.In the schematic representation of FIG. 2, the groove-shaped channels 4 have a width d that is constant over their entire depth. In special cases, however, especially when using large values for the depth b, it can be advantageous for the channels 4 to have one in the plane of the drawing in FIG. 2 have horizontal cross-section, which expands slightly towards the outside.

Die ganz spezielle Betriebsart des hier vorgeschlagenen Wärmeaustauschers ist vor allem dann erkennbar, wenn man sie mit derjenigen einer Wand oder Kühlvorrichtung der diesseits zuvor vorgeschlagenen bekannten Bauart vergleicht, bei der eine konvexe zylindrische Wandung mit senkrecht stehender Achse verwendet worden ist. Um einen solchen Vergleich anzustellen, ist in der linken Hälfte der F i g. 3 in einem durch dieAxialebene eines nutförmigen Kanals geführten Schnitt ein Teil der Wandung eines bisher bekannten derartigen Wärmeaustauschers dargestellt, während in der rechten Hälfte der gleichen Figur ein entsprechender Teil der Wärmeaustauschwand gemäß der Erfindung veranschaulicht ist. Die Wand 1 a bzw. 1 besitzt eine Eingangs- oder Innenfläche 2a bzw. 2, die einen intensiven Wärmefluß, beispielsweise im Falle einer Elektronenröhrenanode infolge eines Elektronenbombardements, aufnimmt. Der von den wärmeabgebenden Teilen eingenommene Bereich ist bei dem bekannten Wärmeaustauscher mit 3 a, bei dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher mit 3 angedeutet. Die vom Dampf eingenommenen Räume sind im Fall des vorbekannten Aufbaues mit 10a, im Falle der Wärmeaustauschwand gemäß der Erfindung mit 10 bezeichnet. Hieraus geht hervor, daß die Enden der wärmeabgebenden Teile 3 a der vorbekannten Bauart mit der Flüssigkeit bei 11 a außerhalb des von Dampf eingenommenen Bereichs in Berührung stehen, während im Falle der Erfindung diese Enden sich mit der Flüssigkeit bei 11 innerhalb dieses Bereichs in Berührung befinden. Im übrigen sind im Falle der vorbekannten Bauart mit Pfeilen 9 a und im Falle der Erfindung mit Pfeilen 9 die Strömungen der in dem betreffenden Kanal umlaufenden Kühlflüssigkeit dargestellt.The very special mode of operation of the heat exchanger proposed here can be seen above all when it is compared with that of a wall or cooling device of the known type previously proposed on this side, in which a convex cylindrical wall with a vertical axis has been used. In order to make such a comparison, the left half of FIG. 3 shows a part of the wall of a previously known heat exchanger of this type in a section guided through the axial plane of a groove-shaped channel, while a corresponding part of the heat exchange wall according to the invention is shown in the right half of the same figure. The wall 1 a or 1 has an input or inner surface 2a or 2, which absorbs an intense flow of heat, for example in the case of an electron tube anode as a result of electron bombardment. The area occupied by the heat-emitting parts is indicated by 3 a in the known heat exchanger and by 3 in the heat exchanger according to the invention. The space occupied by the vapor spaces are referred to in the case of the prior art structure 10 a, in the case of the heat exchange wall according to the invention by 10. It can be seen from this that the ends of the heat-emitting parts 3 a of the previously known type are in contact with the liquid at 11 a outside the area occupied by steam, while in the case of the invention these ends are in contact with the liquid at 11 within this area . Otherwise, in the case of the previously known design with arrows 9 a and in the case of the invention with arrows 9, the flows of the cooling liquid circulating in the channel in question are shown.

Im Falle des Wandungsaufbaues gemäß der Erfindung läßt sich das Vorhandensein einer ausreichenden Flüssigkeitsmenge feststellen, die in den Bereichen 12 stark in Wallung gebracht wird, welche zwischen den Endflächen 11 und dem Dampfkegel 10 gelegen sind, der sich aus dem auf die Freimachung von Wärme zurückzuführenden Siedevorgang ergibt. Man erkennt außerdem, daß die für die Erfindung kennzeichnenden tiefen und schmalen Kanäle an ihren Enden mit Flüssigkeit gespeist werden, vor allem durch diejenige, die nach unten gelenkt worden ist. Von diesen Enden aus strömt die Flüssigkeit in den Boden der Kanäle nach einem Vorgang, der in F i g. 4 teilweise veranschaulicht ist. Diese Zeichnungsfigur zeigt einen Querschnitt eines nutförmigen Kanals zwischen zwei Wärmeleitelementen 3. Die Öffnung 13 dieses Kanals nach außen hin ist von Dampf 14 erfüllt, der entweicht, wodurch der Flüssigkeit auf diesem Wege der Eintritt in den Kanal versagt ist. Jedoch verteilt sich der stetige Temperaturgradient auf den Flanken 15 des Kanals gemäß Temperaturen, die nach F i g.1 den charakteristischen Punkten L, M und N der Nukiyama-Kurve entsprechen. Der normale Siedevorgang stellt sich zwischen den entsprechenden Punkten L und M des Kanals in Richtung auf die Mitte der Tiefe desselben ein, während seine tieferen Bereiche unter Bedingungen arbeiten, die denjenigen jenseits des Kurvenpunktes M und sogar ein wenig jenseits des Kurvenpunktes N der Kurve der F i g. 1 gemäß dem Bereich filmartiger Verdampfung entsprechen. Hieraus ergibt sich, daß die Wandung des Kanals durch einen Dampffilm 16 bedeckt ist, was zur Folge hat, einen Kanal 17 vor sich zu haben, der nur sehr wenig von Dampf erfüllt ist und demzufolge den Umlauf der Flüssigkeit erlaubt.In the case of the wall structure according to the invention, the presence of a sufficient amount of liquid can be determined, which is brought to a strong boil in the areas 12, which are located between the end surfaces 11 and the steam cone 10, which results from the boiling process due to the liberation of heat results. It can also be seen that the deep and narrow channels characteristic of the invention are fed with liquid at their ends, especially by the one which has been directed downwards. From these ends the liquid flows into the bottom of the channels in a process which is shown in FIG. 4 is partially illustrated. This figure shows a cross section of a groove-shaped channel between two heat-conducting elements 3. The opening 13 of this channel to the outside is filled with vapor 14 , which escapes, as a result of which the liquid is prevented from entering the channel in this way. However, the constant temperature gradient is distributed on the flanks 15 of the channel according to temperatures which, according to FIG. 1, correspond to the characteristic points L, M and N of the Nukiyama curve. The normal boiling process occurs between the corresponding points L and M of the channel towards the middle of its depth, while its deeper areas operate under conditions similar to those beyond the curve point M and even a little beyond the curve point N of the curve of the F i g. 1 correspond to the area of film-like evaporation. It follows that the wall of the channel is covered by a steam film 16, which has the consequence of having a channel 17 in front of it, which is only very little filled with steam and consequently allows the liquid to circulate.

In den F i g. 5 bis 9 sind Wärmeaustauscher der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Art in mehreren beispielsweise gewählten Ausführungsformen schematisch veranschaulicht.In the F i g. 5 to 9 are heat exchangers proposed according to the invention Kind illustrated schematically in several exemplary selected embodiments.

In F i g. 5 ist eine Wärmeaustauschwand dargestellt, bei der die Gesamtheit der Außenfläche, abgesehen von den nutenförmigen Kanälen 4, eben ist. Diese Wand 1 besitzt eine einzige Gruppe von Kanälen 4, die untereinander parallel sind, eine Breite d und eine Tiefe b besitzen und voneinander durch Wärmeleitelemente 3 der Stärke a getrennt sind.In Fig. 5 shows a heat exchange wall in which the whole the outer surface, apart from the groove-shaped channels 4, is flat. This wall 1 has a single group of channels 4 which are mutually parallel, one Have width d and depth b and from each other by heat conducting elements 3 of the Strength a are separated.

In F i g. 6 ist schaubildlich eine konvexe zylindrische Wand 1 ausschnittsweise dargestellt, die zwei Gruppen von nutförmigen Kanälen aufweisen, von denen die Kanäle 4 längs laufen und die anderen Kanäle 8 quergerichtet sind. Diese Figur läßt im übrigen auch die dritte Abmessung e der wärmeabgebenden Wandteile 3 erkennen. Es ist hierbei vorausgesetzt worden, daß diese weitere quergerichtete Dimension gegenüber der Stärke a ziemlich groß ist, um an der oben wiedergegebenen Beziehung der Abmessung zueinander nicht teilzunehmen. Will man jedoch den Einfluß dieser dritten Dimension berücksichtigen, so ist zu bemerken, daß dieser Einfluß bewirkt, daß der optimale Wert des Koeffizienten in sinkt.In Fig. 6 is a diagrammatic view of a convex cylindrical wall 1 in sections shown, which have two groups of groove-shaped channels, of which the channels 4 run lengthways and the other channels 8 are directed transversely. This figure leaves the the rest also recognize the third dimension e of the heat-emitting wall parts 3. It it has been assumed here that this further transverse dimension is opposite the strength a is quite large in order to adhere to the relationship of the dimension given above not to participate to each other. However, one wants the influence of this third dimension take into account, it should be noted that this influence causes the optimal The value of the coefficient in decreases.

In den Fällen, in denen die Siedekanäle 4 sehr lang sind, ist es gut, den Flüssigkeitseintritt in ihren Bodenbereichen wie 17 der F i g. 4 zu erleichtern, indem in die Masse der Wand zusätzliche Flüssigkeitszugänge eingebracht werden. Unter den zahlreichen Lösungen, die sich zu diesem Zwecke anbieten, sind in den F i g. 7 und 8 zwei Möglichkeiten dargestellt.In those cases where the boiling channels 4 are very long, it is good to the liquid entry in their bottom areas as in FIG. 17 of FIG. 4 to facilitate by introducing additional liquid access points into the mass of the wall. Among the numerous solutions that are available for this purpose are in the F i g. 7 and 8 show two possibilities.

F i g. 7 zeigt in einem in der Mittelebene eines Kanals 4 geführten Schnitt einen Aufbau, der die Flüssigkeitsspeisung des Kanals durch einige Rinnen 18 erlaubt, die den Kanal 4 in Querrichtung schneiden. Eine solche Rinne 18 hat übrigens eine genügend große Breite f, damit die Flüssigkeit gegen den Dampfstrom 10, wie er durch die in unterbrochenen fetten Linienzügen dargestellten Pfeile angedeutet ist, in sie eintreten kann.F i g. 7 shows a channel 4 guided in the central plane Section of a structure showing the liquid feeding of the canal through some gutters 18 allowed that cut the channel 4 in the transverse direction. Such a channel 18 has Incidentally, a sufficiently large width f, so that the liquid against the steam flow 10, as indicated by the arrows shown in broken bold lines is to enter into it.

F i g. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Flüssigkeitsspeisung jedes Kanals 4 durch einen Längskanal 19 erzielt wird, der senkrecht zu der Zeichenebene der Figur verläuft und aus einer durch eine zylindrische Bohrung erzielten örtlichen Verbreiterung des Kanals 4 gebildet ist. Bei einer solchen Ausführungsform läßt sich im übrigen eine übermäßige örtliche Verdünnung des wärmeabgebenden Elements 3 dadurch vermeiden, daß man zumindest gewisse dieser zusätzlichen Kanäle 19 gegeneinander versetzt, wie dies in F i g. 8 verdeutlicht ist. Die erfindungsgemäß aufgebauten Wärmeaustauschwände können eine Verbesserung der örtlichen Kühlung der Enden 20 der wärmeabgebenden Teile 3 zum Zwecke der Verbesserung der Stetigkeit des Temperaturverlaufs durch Verwendung von an sich bereits bekannten Verlängerungsstücken erfahren. Hierfür werden die zwischen den Kanälen 4 befindlichen Wandteile 3 an ihren freien Stirnflächen mit ihre mit der Flüssigkeit in Berührung stehende Oberfläche vergrößernden Verlängerungsstücken 3 b ausgestattet, wie dies beispielsweise F i g. 9 zeigt. Zwischen diesen Verlängerungsstücken 3 b verbleiben ziemlich schmale Nuten 4 b; entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform besitzen die Nuten 4 b charakteristische Abmessungen, die denjenigen der Hauptkanäle 4 in dem Sinne entsprechen daß ihre Tiefe mit der Stärke der Elemente 3 b durch die obengenannte gleiche Formel verknüpft ist, wie dies für die Breite der Kanäle 4 mit der Stärke der Elemente 3 der Fall ist. Diese Bemessung läßt zu, daß sich auf diesen Endteilen der Elemente 3 ein stabilisierter Siedevorgang einstellt. Hieraus ergibt sich auch ein beträchtliches Anwachsen der Maximalleistung des Wandungsaufbaues.F i g. 8 shows a further embodiment in which the liquid feed of each channel 4 is achieved by a longitudinal channel 19 which runs perpendicular to the plane of the drawing of the figure and is formed from a local widening of the channel 4 achieved by a cylindrical bore. In such an embodiment, excessive local thinning of the heat-emitting element 3 can also be avoided by offsetting at least certain of these additional channels 19, as shown in FIG. 8 is clarified. The heat exchange walls constructed according to the invention can experience an improvement in the local cooling of the ends 20 of the heat-emitting parts 3 for the purpose of improving the continuity of the temperature profile by using extension pieces which are already known per se. For this purpose, the wall parts 3 located between the channels 4 are equipped on their free end faces with extension pieces 3b which enlarge their surface in contact with the liquid, as shown, for example, in FIG. 9 shows. Rather narrow grooves 4 b remain between these extension pieces 3 b; According to a particularly advantageous embodiment, the grooves 4 b have characteristic dimensions that correspond to those of the main channels 4 in the sense that their depth is linked to the thickness of the elements 3 b by the same formula mentioned above, as is the case for the width of the channels 4 with the Strength of the elements 3 is the case. This dimensioning allows a stabilized boiling process to take place on these end parts of the elements 3. This also results in a considerable increase in the maximum output of the wall structure.

Mit einem Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung lassen sich ohne Gefahr der Beschädigung seiner Wand Wärmeabgabeleistungen in der Größenordnung eines Kilowatts pro Quadratzentimeter der Eingangsfläche 2 des Wandungsaufbaues erreichen, der einfach in Wasser ohne äußeren Strömungsantrieb eingetaucht ist und insgesamt auf einer Temperatur von etwa 100° C verbleibt. Diese äußerst beachtliche Leistung kann noch dadurch gesteigert werden, daß man zu an sich bekannten Mitteln wie Unterdrucksetzung, Verwendung von anderen Flüssigkeiten als Wasser, wie beispielsweise fluorierte organische Produkte, greift.With a heat exchanger according to the invention can be safely the damage to its wall heat output in the order of one kilowatt reach per square centimeter of the entrance surface 2 of the wall structure that is easy is immersed in water with no external flow drive and a total of one Temperature of about 100 ° C remains. This extremely remarkable achievement can still be achieved can be increased by using known means such as pressurization, Use of liquids other than water, such as fluorinated organic Products.

Die Erfindung ist auf jedes System oder jede Vorrichtung anwendbar, von der man verlangt, daß sie einen starken Wärmefluß abgibt. Derartige Anwendungsmöglichkeiten werden in der Industrie immer zahlreicher und finden sich beispielsweise in den Mänteln von Motoren, bei den Anoden oder Kollektoren von Elektronenröhren oder in Anlagen für chemische Reaktionen.The invention is applicable to any system or device which is required to give off a strong flow of heat. Such uses are becoming more and more numerous in industry and can be found, for example, in the Sheaths of motors, at the anodes or collectors of electron tubes or in Chemical reaction systems.

Claims

Claims: 1. Heat exchanger with a groove-shaped channels having thermally conductive wall for transferring the heat flow emanating from a hot body or heat generator to a liquid which wets the heat-emitting wall and at least partially evaporates, in which the width of the groove-shaped channels is less than a third of its Depth is, characterized in that the parts (3) of the wall (1) lying between the channels (4) have an average thickness (a) in the transverse direction to the channels, which corresponds to the channel depth (b) and the thermal conductivity (c) of the material forming the wall by the equation is linked, where b and a are to be used in centimeters and c in W / cm - ° C and m is a numerical factor in the order of magnitude of 1.

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the Factor m is in the range 0.7 to 1.8.

3. Heat exchanger after one of the preceding claims, characterized in that in a known manner the channels (4, 8) in two at least approximately at right angles to one another Groups of mutually parallel rows are arranged (Fig. 6).

4. Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the channels (4) are interrupted by them in relation to wider channels (18) (FIG. 7).

5. Heat exchanger according to one of claims 1 to 3, characterized in that the channels (4) are have longitudinally extending local widenings (19) (FIG. 8).

6. Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the wall parts (3) located between the channels (4) have on their free end faces their surface in contact with the liquid enlarging, known extension pieces (3 b) (F i g. 9). Documents considered: Austrian Patent No. 1754; Swiss Patent No. 262 651; French Patent No. 923175; "Technische Rundschau" magazine, Bern, from May 5, 1961.