DE2459390A1

DE2459390A1 - Verfahren zum kuehlen eines waermetauschers und dafuer geeigneter waermetauscher

Info

Publication number: DE2459390A1
Application number: DE19742459390
Authority: DE
Inventors: Gordon Robert Lavering
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1973-12-26
Filing date: 1974-12-16
Publication date: 1975-07-10
Also published as: NL7416974A; FR2256389A1; FR2256389B3; AU7636474A; JPS50100654A

Description

des flüssigen Kühlmittels zu kondensieren. Das Kondensat wird durch den Wärmetauscher mit hoher Geschwindigkeit rezirkuliert.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Wärmetauscher und insbesondere einen verbesserten Wärmetauscher, bei dem flüssiges Kühlmittel durch Kanäle zirkuliert, die zwischen benachbarten Fahnenteilen des Wärmetauschers definiert sind, und zwar mit ausreichender Geschwindigkeit, um verdampftes Kühlmittel von den Wänden der Kanäle abzukratzen, so daß ein wirksamer Wärmeübergang vom Wärmetauscher zum flüssigen Kühlmittel aufrechterhalten wird.

Es sind bereits Wärmetauscher vorgeschlagen worden, in denen eine Anzahl Fahnen vom Wärmetauscherelement nach außen hervorsteht. Ein äußerer Mantel ist um die Fahnen herum in einem derartigen Abstand angeordnet, daß KühlungsmitteIkanale im Ringraum zwischen den Fahnen und dem Mantel gebildet werden. Das flüssige Kühlmittel wurde durch den Ringraum geschickt, um verdampftes Kühlmittel vom Wärmetauscher zu entfernen und verdampftes Kühlmittel im Strom des flüssigen Kühlmittels aufzunehmen und darin zu kondensieren, indem Wärme vom verdampften Kühlmittel zur flüssigen Masse des restlichen flüssigen Kühlmittels übergeht. Das Kühlmittel wurde dann durch einen zweiten Wärmetauscher geschickt, um Wärme vom Kühlmittel abzuführen. Das gekühlte Kühlmittel wurde dann durch den Wärmetauscher rezirkuliert. Solche Wärmetauscher sind zum Kühlen der Anoden von Elektronenröhren vorgeschlagen worden.

Bei einem speziellen Gerät dieser Art weist die äußere Peripherie des Wärmetauschers eine Anzahl längsgerichteter Fahnen auf, so daß eine kreisförmige Anordnung von longitudinalen Kühlmittel kanalen gebildet wird, die sich über die Länge der Anode einer Elektronenröhre, die gekühlt werden soll, erstrecken. Eine Eingangs-Kühlmittelverteilung weist eine Anzahl längs gerichteter Röhren auf, die zwischen benachbarte Fahnen des Wärmetauschers geschachtelt sind. Eine Reihe sehr

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kleiner Öffnungen sind längs der Innenwand der Röhren vorgesehen, um eine Vielzahl radial gerichteter Kühlmittel strahlen zu bilden, die gegen die Böden der longitudinalen Kühlmittelkanäle im Wärmetauscher gerichtet sind. Diese Kühlmitte!strahlen dienen dazu, verdampftes Kühlmittel abzutragen, das sich sonst im Boden der Kühlmittelkanäle des Wärmetauschers bildet, um den Wärmeübergang vom Wärmetauscher zum Kühlmittel zu verbessern (US-Patentschrift 3 414 753).

Das Problem bei einem solchen Wärmetauscher liegt darin, daß er relativ kompliziert ist und die kleinen Löcher zur Bildung der Strömungsmittelstrahlen im Gebrauch verstopfen können.

Bei einem weiteren älteren Wärmetauscher steht eine Anzahl Fahnen in Spiralenform vom Wärmetauscher nach außen vor, so daß eine Anzahl spiralenförmiger Kühlmittelkanäle dazwischen gebildet wird, die mit einem äußeren, schichtförmigen Kanal kommunizieren, der zwischen den äußeren Enden der Fahnen und dem diese umgebenden rohrförmigen Mantel einer Verteilung gebildet ist. Kühlmittel wird durch den schichtförmigen Kanal unter einem erheblifchen Winkel zur Richtung der spiralenförmigen Kanäle geschickt, um für einen turbulenten Strom in den Kanälen zu sorgen. Dieser turbulente Strom sorgt dafür, verdampftes Kühlmittel von der Oberfläche des Wärmetauschers abzuschruppen und verdampftes Kühlmittel im flüssigen Kühlmittelstrom abzuführen, so daß es in der Masse des Kühlmittels kondensiert. Das Kühlmittel wird dann durch einen zweiten Wärmetauscher geschickt und mittels einer Pumpe durch das zu kühlende Gerät rezirkuliert (US-Patentschrift 3 455 376).

Es ist ferner bekannt, einen mit Fahnen versehenen Strahlkollektor oder Wärmetauscher, beispielsweise aus Kupfer, dadurch zu versteifen, daß mit den äußeren Enden der Fahnen eine Wand höherer Festigkeit, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, verbunden wird (US-Patentschrift 3 374 523).

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Dieses bekannte Gerät vermeidet zwar die Schwierigkeiten, die mit dünnen, energiereichen Strahlen verknüpft sind, wie sie beim als erstes genannten bekannten Gerät auftreten, die Schruppwirkung ist jedoch nicht optimal, weil der Boden der Strömungsmittelkanäle zwischen benachbarten Fahnen bei einer Temperatur von etwa 250 ⁰C arbeitet, und es ist erwünscht, diese Temperatur so stark wie möglich herabzusetzen, während gleichzeitig für ein Sieden des flüssigen Kühlmittels am Boden der Kanäle gesorgt wird.

Ein weiterer Nachteil des bekannten Kühlschemas liegt darin, daß der Kern des Wärmetauschers relativ dick sein muß» um sich im Gebrauch bei höherer Temperatur selbst zu tragen, insbesondere unter einem Außendruck von 1 oder 2 Atmosphären Druck, was beim Elektronenstrahlkollektor einer Elektronenröhre der Fall ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Wärmetauscher verfügbar zu machen, bei dem das Verdampfte Kühlmittel von der Außenfläche des Wärmetauscherelementes mittels eines flüssigen KühlmitteIstroms hoher Geschwindigkeit entfernt wird.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird eine Anzahl Kühlmittelkanäle zwischen benachbarten Teilen von auswärts gerichteten Fahnen am Wärmetauscher definiert und dafür gesorgt, daß das Kühlmittel durch diese Kühlmittelkanäle mit ausreichender Geschwindigkeit strömt, um verdampftes Kühlmittel, das an der Oberfläche des Wärmetauschers gebildet hat, abzuschruppen und abzuführen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Wand hoher Festigkeit mit den äußeren Enden der Fahnen des Wärmetauschers verbunden, um die Kühlmittelkanäle zwischen dem Mantel und den benachbarten Fahnen zu definieren. Ein solcher hochfester Mantel ergibt eine zusätzliche Festigkeit für den zusammengesetzten Wärme-

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tauscher, so daß eine unerwünschte Verformung verhindert wird, insbesondere wenn der Wärmetauscher bei hohen Leistungsdichten und dementsprechend hohen Temperaturen arbeitet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Kühlmittelsystem, bei dem das verbesserte

Wärmeaustauschverfahren nach der Erfindung verwendet wird;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den in Fig. 1 mit der Linie 2-2

umschlossenen Teil; und

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2.

Fig. 1 zeigt ein Wärmetauscher-KUhl system 11 mit Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird flüssiges Kühlmittel, beispielsweise Wasser, bei 95 ⁰C bis 99 ⁰C in einem Sumpf 12 gesammelt und über eine Pumpe 13 und einen Spannungsisolator, beispielsweise einen Gummi schlauch, zum Eingang eines Wärmetauschers 15 gepumpt. Der Wärmetauscher ist mit einem zu kühlenden Gerät gekuppelt, beispielsweise der Anode oder dem Strahl kollektor einer Elektronenstrahlröhre.

Es wird dafür gesorgt, daß das Kühlmittel durch spiralenförmige Kanäle spiralenfdrmig um die Außenseite des Wärmetauschers 15 herumwirbelt, wie noch näher in Verbindung mit Fig. 2 und 3 erläutert wird, um Wärme vom Wärmetauscher zu entfernen. In diesem Prozeß wird dem Wärmetauscher 15 ausreichend Wärme zugeführt, so daß damit in Berührung befindliches Kühlmittel verdampft. Das verdampfte Kühlmittel wird von der Oberfläche des Wärmetauschers abgeschruppt, und zwar durch den Strom aus in der Flüssigkeitsphase befindlichem Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit.

Das flüssige Kühlmittel, in dem das verdampfte Kühlmittel gefangen ist,

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beispielsweise 5 % Dampf, der in 100 ⁰C Wasser gefangen ist.wird mittels eines Sammelaufnehmers aufgenommen und durch einen zweiten Spannungsisolator 16 geschickt, beispielsweise einen Gummi schlauch, und von dort durch einen zweiten Wärmetauscher 17 zum Sumpf 12 zurückgeführt. Ein Abblas- und Sicherheitsventil 18 ist im zweiten Wärmetauscher 17 vorgesehen, sowohl um gefangene Luft aus dem Kühlmittel zu entfernen als auch zuviel verdampftes Kühlmittel freizulassen, das bei einer plötzlichen Überlastung des Systems im zweiten Wärmetauscher 17 vorhanden sein kann. Der Wärmetauscher 17 kann ein wasser- oder luftgekühlter Austauscher sein, bei dem ein zweites Kühlmittel, beispielsweise Luft oder Wasser, durch den Wärmetauscher derart geführt wird, daß mit dem vom Wärmetauscher 15 gesammelten Kühlmittel Wärme ausgetauscht werden kann.Ein Keruhigungstank 19 ist mit dem Sumpf 12 gekuppelt und kann eine Stickstoffladung hinter einer Membran 20 enthalten, oder kann zur Luft hin offen sein. Das Hauptkühlmittel ist in der bevorzugten Ausführungsform entionisiertes Wasser!

In Fig. 2 und 3 ist der Wärmetauscher 15 nach der Erfindung dargestellt. Der Wärmetauscher 15 weist einen hohlzylindrischen Kern 21 auf, der beispielsweise aus der evakuierten Anode einer Elektronenstrahlröhre oder dem Strahl kollektor einer Röhre mit linearem Strahl, beispielsweise einem Klystron, einer Wanderfeldröhre und dergl. bestehen kann. Der zylindrische Kern 21 besteht aus einem wärmeleitenden Werkstoff, beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Falls der Kern 21 die Anode einer Elektronenstrahlröhre ist, ist er am äußeren Ende hermetisch mittels einer kuppeiförmigen Endwand 22 abgeschlossen.

Eine Anzahl radial gerichteter Fahnen 23, beispielsweise aus Kupfer, sitzt auf dem Äußeren des Kerns 21, diese sind beispielsweise herausgefräst oder angelötet. Die Fahnen 23 sind in einem spiralen- oder wendeiförmigen Weg um den Wärmetauscherkern 21 angeordnet, um eine Anzahl von spiralen- oder schraubenlinienförmigen Kühlmittel kanal en im Bereich zwischen benachbarten Fahnen 23 zu bilden. Ein zylindrischer

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Mantel 25, der aus einem Werkstoff mit erheblich höherer Festigkeit bei höheren Temperaturen als der Werkstoff des Kerns 21 und der Fahnen besteht, ist um die Fahnen 23 herum angeordnet und mit deren äußeren Peripherien verbunden, beispielsweise durch Löten.

In einem typischen AusfUhrungsbei spiel besteht der zylindrische Mantel 25 aus unmagnetischem rostfreien Stahl oder Monel, während der Kern 21 und die Fahnen 23 aus Kupfer oder Aluminium bestehen. Der Außendurchmesser des Kerns 21 beträgt 87,6 mm (3,450 "), der Kern ist mit sechs Nuten 4,3 mm (0,170 ") breit, und 5,1 mm (0,200 ") tief versehen; diese Nuten haben gleiche Abstände bei einem Steigungswinkel von 7,5 °. Die longitudinale Länge des mit Nuten oder Fahnen versehenen Teils des Kollektors 21 beträgt 63,5 mm (2,50 "). Der Kern 21 hat eine Wandstärke von 5,1 mm (0,200 "). Der Mantel 25 aus rostfreiem Stahl ist an die Außenperipherie der Fahnen 23 angelötet und hat eine Wandstärke von 0,51 mm (0,020 ").

Dem Kern 21 wird ausreichende Wärmeenergie zugeführt, beispielsweise durch Auffangen eines Elektronenstrahls auf der Innenseite, um den Kern 21 auf eine ausreichende Temperatur aufzuheizen, um das flüssige Kühlmittel, beispielsweise entionisiertes Wasser, an den radialen Innenteilen der Kühlmittelkanäle 24 angrenzend an die Außenfläche des Kerns 21 zu verdampfen. Insbesondere ist im Falle von Wasser als Kühlmittel bei einer Atmosphäre überdruck über Atmosphärendruck die Siedetemperatur 125 ⁰C, und das würde die Temperatur der Außenwand des Kerns 21 sein, die die Innenwand der Nuten oder Kanäle 24 bildet.

Das Kühlmittel wird durch die Kanäle 24 mit ausreichender Geschwindigkeit, beispielsweise mehr als 3,1 m/s (10 Fuß/Sekunde) gepumpt, so daß sich ein turbulenter Strom in den einzelnen spiral- oder wendeiförmigen Kanälen 24 ausbildet. Die Turbulenz wird ausreichend kräftig gemacht, um Dampf von der 125 ° warmen Innenfläche der Nut oder des Kanals 24 aufzubrechen und abzuschruppen. Der von der Oberfläche des Kerns 21

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abgeschruppte Dampf wird im flüssigenKühlmittelstrom gefangen und von dem Strömungsmittel in die Sammelverteilung mitgeführt und von dort zum zweiten Wärmetauscher 17.

In einem typischen Ausführungsbeispiel werden etwa 5 % des flüssigen Kühlmittels verdampft und im flüssigen Kühlmittel gefangen, das zum zweiten Wärmetauscher 17 weiterläuft. Das verdampfte Kühlmittel wird entweder im zweiten Wärmetauscher 17 oder im Strömungsfluß zum Tauscher 17 kondensiert. Der angebundene Mantel 25 verleiht dem zusammengesetzten Wärmetauscher 15 erhebliche mechanische Festigkeit und minimiert insbesondere die Neigung des weichmetallenen Kerns 21, sich unter dem Druck des Strömungsmittels und dem Atmosphärendruck an dessen Äußeren nach einwärts zu biegen.

Im Betrieb wird wenigstens 1 % Sieden des flüssigen Kühlmittels im Wärmetauscher 15 im Gebrauch erreicht. Dieser Siedeanteil kann dadurch geprüft werden, daß die Energiemenge berechnet wird, die vom Kollektor durch den Temperaturanstieg des Kühlmittels abgeführt wird, und diese berechnete Leistung von der tatsächlichen Leistung subtrahiert wird, die dem Kollektor zugeführt wird. Die Leistungsdifferenz ist auf die Energie zurückzuführen, die durch Sieden des flüssigen Kühlmittels abgeführt wird. Insbesondere ergibt das Produkt des Temperaturanstieges mit der Strömungsrate des Kühlmittels und der spezifischen Wärme des Kühlmittels die abgeführte Leistung durch Erhöhung der Kühlmitteltemperatur. Der Rest der abgeführten Leistung ist auf das Sieden des Kühlmittels zurückzuführen.

Beim Wärmetauscherverfahren nach der Erfindung wird wenigstens 1 Vol.-% des Kühlmittels zum Sieden gebracht. Das Sieden kann dadurch festgestellt werden, daß ein Accelerometer am äußeren Wassermantel des Rohres oder eines zu bewertenden Wärmetauschers 15 befestigt wird. Das Accelerometer wirkt als Kontaktmikrofon. Drei unterschiedliche Töne

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können gehört werden, wenn der Accelerometerausgang verstärkt wird und das Signal über einen Lautsprecher überwacht wird. Bei sehr hohen Kühl mitteIstromraten und niedrigen Wärmeabfuhrdichten kann nur ein leichtes Murmeln gehört werden. Das entspricht der Nichtsiedebedingung im Wärmetauscher. Bei mittleren Leistungsdichten und bescheidenen Kühl mitteIstromraten tritt eine Kombination von Konvektionskühlung. und Siedekernen auf und ein zischender Ton ist zu hören. Das ist der gewünschte Betriebsbereich. Wenn entv/eder die Strömungsrate ausreichend abgesenkt wird oder die Leistungsdichte ausreichend erhöht wird, ist ein knatterndes Geräusch zu hören und ein Manometer in der Wasserleitung zeigt Fluktuationen an. Beide Effekte sind auf lokale Temperaturspitzen mit Siedefilmen zurückzuführen. Die Durchflußrate sollte dann erhöht oder die abzuführende Leistungsdichte herabgesetzt werden, um Betrieb in diesem Bereich zu vermeiden.

Der überwiegende Kühlmechanismus beim Wärmetauschverfahren nach der Erfindung ist das Sieden des flüssigen Kühlmittels am Innenteil der Nuten oder Kühlmittelkanäle. Es ist deshalb nicht wirkungsvoll, die Temperatur des Kühlmittels am Einlaß zum Wärmetauscher 15 erheblich unter die Siedetemperatur abzusenken. Es ist beispielsweise vollständig adäquat, die Kühlmitteltemperatur am Eingang auf nur 1 unter die Siedetemperatur herabzusetzen. Im Falle von Wasser als flüssiges Kühlmittel braucht das zum Sumpf zurückgeführte Kühlmittelkondensat nur auf 99 ⁰C bei Atmosphärendruck abgekühlt zu werden. Die Pumpe hebt dann den Druck des Kühlmittels auf etwa eine Atmosphäre über Atmosphärendruck am Einlaß zum Wärmetauscher an. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist deshalb das Kühlmittel im Sumpf auf eine Temperatur abgesenkt, die nicht tiefer als 5 ⁰C unter dem Siedepunkt des flüssigen Kühlmittels unter dem Druck im Sumpf liegt.

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Claims

-40- Patentansprüche

1. Verfahren zum Kühlen eines Wärmetauschers, von dem ein Teil

zu einer Anzahl von Fahnen geformt ist, die von diesem abstehen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom flüssiges Kühlmittel durch Kühlmittel kanale geschickt wird, die zwischen benachbarten Fahnen definiert sind, um den Wärmetauscher zu kühlen, ausreichend Wärmeenergie dem Wärmetauscher zugeführt wird, so da3 Dampf des flüssigen Kühlmittels auf der Oberfläche des Wärmetauschers gebildet wird und so daß wenigstens ein Teil der volumetrischen Durchflußrate des flüssigen Kühlmittels verdampft, und der flüssige KühlmitteIstrom durch die Kühlmittelkanäle in Richtung längs der Kanäle mit ausreichender Geschwindigkeit geschickt wird, um eine turbulente Strömung ausreichender Größe zu erreichen, um den verdampften Teil des flüssigen Kühlmittels aufzubrechen und vom Wärmetauscher abzuführen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Extremitäten benachbarter Fahnen mit einem darüber-1 legenden Verfestigungselement verbunden sind, das aus einem Werkstoff höherer Festigkeit als die des Werkstoffs der Fahnen besteht, um den Wärmetauscher zu versteifen und die Außenwand der Kühlmittelkanäle zu bilden, die zwischen benachbarten Fahnen gebildet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher im allgemeinen zylindrisch ist und die Fahnen spiralen- oder wendelförmig verlaufen, um die Strömungsmittelkanäle um den Außenumfang des Wärmetauschers zu definieren.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Volumenprozent der volumetrisehen Durchflußrate des flüssigen Kühlmittels verdampft wird.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das verdampfte Kühlmittel im flüssigen KühlmitteIstrom kondensiert wird, ohne daß das Kühlmittel in der flüssigen Phase vom Kühlmittel in der Dampfphase getrennt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittelkondensat bei einer Temperatur zirkuliert wird, die nicht mehr als 5 ⁰C unter dem Siedepunkt des flüssigen Kühlmittelkondensats liegt.

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