DE4118196C2 - Verdampfungswärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdampfungswärmetauscher mit wenigsten einem aktiven Flüssigkeitskühlkreislauf zur Abführung von Wärme in Raumfahrzeugen, bei dem die Kühlflüssigkeit in thermischen Kontakt mit einem zu verdampfenden Medium gebracht wird und der aus einem vorzugsweise zylindrischen Behälter besteht, in dessen Inneres das zu verdampfende Medium eingespritzt wird und dessen Wandung zur Bildung eines Ringspaltes aus einer äußeren und einer inneren Schale besteht, wobei das Kühlmittel den Ringspalt durchströmt und wobei im Ringspalt Mittel zur Verbesserung der Wärmeübertragung vorgesehen sind.

Ein Verdampfungswärmetauscher dieser Art ist aus der Druckschrift "Shuttle Orbiter Flash Evaporator", J.R. Mason, Hamilton Standard, 79-ENAS-14, American Society of Mechanical Engineers (Hrsg.) bekannt geworden. In Verdampfungswärmetauschern dieses Typs wird eine zu mehreren aktiven Kühlkreisläufen gehörende Kühlflüs­ sigkeit in thermischen Kontakt mit einem zu verdampfen­ den Medium gebracht, das über eine Einspritzdüse in Form eines aus Flüssigkeitströpfchen bestehenden Strahls in den Innen- oder Prozeßraum des Wärme­ tauschers gesprüht wird, wobei die Tröpfchen in Kontakt mit den diesen Raum begrenzenden Wänden gelangen und dort unter Aufnahme von Wärme aus der Kühlflüssigkeit verdampfen. Der entstehende Dampf wird bei dem be­ kannten Verdampfungswärmetauscher über eine Austritt­ söffnung eines dem Raumfahrzeugen in die Umgebung abge­ blasen.

Beim Einsatz eines solchen Verdampfungswärmetauschers unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit bzw. bei unterschiedlichen Beschleunigungen während der Start- und Landephase besteht grundsätzlich das Problem, das zu verdampfende Medium und die zu kühlende Flüssigkeit des Kühlkreislaufs so miteinander in Kontakt zu bringen, daß eine ausreichend hohe Wärmeübertragung erfolgt. Da das zu verdampfende Medium überdies in der Regel auf Kosten zusätzlicher Nutzlast im Raumfahrzeug mitgeführt wird, soll dieses möglichst vollständig in die Dampfphase überführt werden. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen der Kühlflüssigkeit einer­ seits und dem zu verdampfenden Medium andererseits sind bei der Anordnung gemäß dem Oberbegriff daher im Inneren des Ringspaltes, der von zwei koaxial angeord­ neten Zylinderwänden gebildet wird, in axialer Richtung und damit in Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit verlaufende Längsrippen vorgesehen, die aus zylindrisch gebogenen Blechen mit einem Wellenprofil bestehen und die in der Regel durch Hartlöten mit den Zylinderwänden verbunden sind.

Daneben ist aus der DE-OS 30 11 282 ein Wärmeabsorber, der insbesondere als Plasmastrahlenabsorber dient und der ebenfalls einen zweischaligen Aufbau mit von einem Kühlmedium durchströmten Kühlkanälen aufweist, bekannt, bei dem zwischen der inneren und der äußeren Schale sogenannte Befestigungskörper vorgesehen sind. Diese Befestigungskörper, die bei der benannten Anordnung dem Angalvanisieren der Außenwand mit Abstand an die Innen­ wand dienen sollen, sind stromlinienförmig ausgebildet, wobei die Längserstreckung ihres Profils parallel zur Strömungsrichtung des Kühlmediums verläuft. Die Befestigungskörper sind zu Reihen zusammengefaßt, die in Umfangsrichtung verlaufen und bei denen die zu aufeinanderfolgenden Reihen gehörenden Befestigungs­ körper jeweils versetzt zueinander angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anord­ nung gemäß dem Gattungsbegriff so auszubilden, daß der Wärmeübergang zwischen der Kühlflüssigkeit und dem zu verdampfenden Medium nachhaltig verbessert wird und daß zugleich der Austrag an nicht verdampften Medium weiter verringert wird.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Durch die im Inneren des Ringspaltes erfindungsgemäß mit ihrer Längserstreckung quer zur Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit und in gegeneinander versetzten Reihen angeordneten Wirbelkörper wird ein hoher Versperrungsgrad erreicht, der die Wirkung einer Vielzahl hintereinander verschachtelter Blenden hat, die die Ausbildung sowohl einer thermischen als auch einer hydraulischen Grenzschicht verhindern. Sie bewirken eine nachhaltige Verwirbelung der Kühlflüssig­ keit und damit eine bessere Vermischung der wandnahen kalten Teilchen mit den von der Wand weiter entfernten heißen Teilen der Kühlflüssigkeit im Wärmetauscher und einen innigeren Kontakt mit den Wandflächen, so daß ein intensiver Abkühlungseffekt erzielt wird. Außerdem hat diese Anordnungsform der Wirbelkörper zugleich die Wirkung von umfangsseitig angeordneten Verstärkungs­ ringen, die bei einem etwaigen Auftreten von Druck­ spitzen im Prozeßraum auftretende Dehnungen aufzunehmen vermögen und so ein Aufplatzen der Innenwand zuver­ lässig verhindern.

Die in vorteilhafter Weiterbildung des Wärmetauschers nach der Erfindung ferner vorgesehene Maßnahme, die Wirbelkörper einstückig an die Innenwand der zwei­ schaligen Anordnung anzuformen, verbessert dabei nicht nur der Wärmeübergang zwischen der Kühlflüssigkeit und dieser Wand noch weiter, sondern es wird zugleich auch die Wärmekapazität der gesamten Struktur erhöht. Letzteres bewirkt einen insgesamt gleichmäßigen zeit­ lichen Temperaturverlauf im Kühlflüssigkeitskreislauf, was insbesondere deshalb wichtig ist, weil der Ab­ kühlungsprozeß so ausgelegt ist, daß er in der Nähe der Erstarrungstemperatur der Kühlflüssigkeit abläuft. Ein durch negative Temperaturspitzen hervorgerufenes kurz­ zeitiges Unterschreiten dieser Temperatur könnte aufgrund des dann erfolgenden Phasenübergangs flüssig­ fest leicht zu einem zunächst nur lokalen, aber in der Folgereaktion auch totalen Blockieren des Kühlflüssig­ kanals führen.

Ferner bietet diese Maßnahme auch in fertigungstech­ nischer Hinsicht erhebliche Vorteile, daß der erwähnte Lötprozeß entfallen kann, wodurch nicht nur der Ferti­ gungsaufwand für eine solche Anordnung wesentlich reduziert wird, sondern zugleich auch Probleme ver­ mieden werden, die sich aus der Tatsache ergeben, daß die zum Hartlöten erforderlichen Temperaturen in der Nähe der Schmelztemperatur der für derartige Bauteile in der Regel verwendeten hochfesten Aluminiumlegierun­ gen liegen, woraus erhebliche Anforderungen an der Ge­ nauigkeit der einzuhaltenden Löttemperaturen und Probleme mit der Maßhaltigkeit des Bauteils resul­ tieren.

Eine wesentliche Verringerung des Austrages an unver­ dampften Medium aus dem Prozeßraum wird dadurch er­ reicht, daß bei dem Wärmetauscher nach der Erfindung der Auslaß für den abströmenden Dampf im Wandbereich des Prozeßraums angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird der abströmende Dampf um wenigstens etwa 90° gegenüber seiner ursprünglichen Strömungsrichtung bzw. der Einspritzrichtung des zu verdampfenden Mediums umgelenkt. Sofern, entsprechend einer weiteren Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, die Auslaßöffnung für das verdampfte Medium in demjenigen Endbereich des Prozeßraumes angeordnet ist, in dem auch die Einspritzung erfolgt, wird sogar eine nahezu vollständige Umkehr der Bewegungsrichtung herbei­ geführt.

Zwar ist auch bereits aus der DE-OS 38 34 814 ein Verdampfungswärmetauscher für den gleichen Einsatzzweck bekannt geworden, bei dem der Auslaß für das verdampfte Medium an dem der Einspritzung gegenüberliegenden Endbereich des Prozeßraumes erfolgt, jedoch weist dieser bekannte Wärmetauscher keinen zweischaligen Aufbau mit einem von einer Kühlflüssigkeit durch­ strömten Ringspalt auf und ist somit einer anderen Gattung von Verdampfungswärmetauschern zugehörig. Der Austritt des verdampften Mediums geschieht bei diesem bekannten Wärmetauscher überdies über eine mit Bohrungen versehene Kapillarstruktur und nicht, wie bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher, über eine Auslaß­ öffnung.

Ferner kann aufgrund dieser Maßnahme sowie durch die bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verdampfungs­ wärmetauschers nach der Erfindung vorgesehene Durch­ strömung auch der den zylindrischen Prozeßraum ver­ schließenden Bodenplatte mit der Kühlflüssigkeit eine zusätzliche beheizte Prallplatte entfallen, wie sie bei der Anordnung nach dem Oberbegriff verwendet werden muß, um im Dampf mitgeschleppte bzw. direkt in den Auslaß gesprühte Tröpfchen zurückzuhalten.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Er­ findung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Verdampfungs­ wärmetauscher,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die in Fig. 1 gezeigte Anordnung in abgewickelter Darstellung,

Fig. 3 die Anordnung gemäß Fig. 2 in perspektivischer Darstellung und

Fig. 4 einen Schnitt gemäß IV-IV durch die Anordnung nach Fig. 1.

Der in Fig. 1 geschnitten dargestellte zylinderförmige Verdampfungswärmetauscher ist zweischalig aufgebaut und besteht aus einem inneren Zylinder 1 sowie einem koaxial zu diesem angeordneten äußeren Zylinder 2. Die Durchmesser der Zylinder 1 und 2 sind so gewählt, daß zwischen beiden ein Ringspalt 3 besteht. Im Ringspalt 3 sind Wirbelkörper 4 angeordnet, die jeweils einstückig an die Außenwand des inneren Zylinders 1 angeformt sind und auf deren Form im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 noch näher eingegangen wird. Der zylindrische Innen- oder Prozeßraum 5 des Wärmetauschers wird durch eine Kopfplatte 6 sowie eine Bodenplatte 7 abgeschlos­ sen. Die Bodenplatte 7 ist ebenfalls zweischalig auf­ gebaut bzw. mit Strömungskanälen versehen.

In dem der Bodenplatte benachbarten, einen vergrößerten Durchmesser aufweisenden Bereich des zylindrischen Wärmetauschers ist eine Auslaßöffnung 8 vorgesehen, die den Prozeßraum 5 mit einem Auslaßflansch 9 verbindet.

An der Kopfplatte 6 ist eine Einspritzdüse 11 für das zu verdampfende Medium, im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels Wasser, angeordnet, die in den Prozeßraum 5 ragt und die über eines von zwei aus Redundanzgründen vorhandenen Steuerventilen 12 und 13 beaufschlagt wird. Der Austrittswinkel der im Pulstrieb arbeitenden Einspritzdüse 11 ist mit etwa ±85 Grad gegenüber der Mittelachse des Prozeßraumes 5 so gewählt, daß die vom inneren Zylinder 1 gebildete zylindrische Wärmeübertragerfläche direkt benutzt wird. Bei der hier dargestellten Anordnung ist am Rand der Bodenplatte 7 eine Einlaßöffnung 14 für die in einem aktiven Kühlkreislauf zirkulierende Kühlflüssigkeit, im vorliegenden Fall ebenfalls Wasser, vorgesehen. Über eine im Zentrum der Bodenplatte 7 angeordnete Auslaß­ öffnung 15 sowie eine Verbindungsleitung 16 gelangt die Kühlflüssigkeit zu einer Einlaßöffnung 17 in der Kopf­ platte 6 und schließlich durch den Ringspalt 3 zu einer Auslaßöffnung 18, die sich an der Außenfläche des äuße­ ren Zylinders 2 befindet. In dieser Auslaßöffnung 18 ist zusätzlich ein in der Zeichnung nicht dargestellter Meßfühler zur Erfassung der Austrittstemperatur der Kühlflüssigkeit angeordnet.

Wie die Darstellung der Fig. 2 und 3 zeigt, weisen die im Ringspalt 3 angeordneten Wirbelkörper 4 eine längliche Grundform mit einer sechseckigen Kontur auf. Die Wirbelkörper 4 sind, in diesem Fall durch Fräsen, so aus dem inneren Zylinder 1 herausgearbeitet, daß ihre langen Seiten senkrecht zu der in Fig. 2 durch einen mit dem Buchstaben K gekennzeichneten Pfeil an­ gedeuteten Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit ver­ laufen; ihre Schmalseiten bilden dann, wie in der Figur weiterhin angedeutet, einen Winkel von etwa 60 Grad mit der Strömungsrichtung. Die Wirbelkörper 4 umgeben den Zylinder 1 gleichsam in Form von als unterbrochene Ringe gestalteten Querrippen, wobei die zu aufeinan­ derfolgenden Ringen gehörenden Wirbelkörper, wie in den Fig. 2-4 gezeigt, zueinander fluchtend versetzt an­ geordnet sind. Die Querschnitts-Darstellung in Fig. 4 läßt ferner erkennen, daß die Innenwand des inneren Zylinders 1 eine kapillarförmige Struktur aufweist.

Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Anord­ nung ist in Fig. 1 anhand von Pfeilen verdeutlicht, die die Strömung der einzelnen Medien, d. h. der Kühlflüs­ sigkeit und des zu verdampfenden Mediums, kennzeichnen sollen.

Die Kühlflüssigkeit, die Bestandteil eines aktiven Kühlkreislaufs ist, durchströmt den Verdampfungswärme­ tauscher bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung von links nach rechts, nachdem sie zunächst durch die Bodenplatte 7 und die Verbindungsleitung 16 geströmt ist. Über die Einlaßöffnung 7 gelangt sie in die Kopf­ platte 6, von dort in den Ringspalt 3, wo sie an den Wirbelkörpern 4 vorbei zur Auslaßöffnung 18 strömt. Beim Austritt aus dieser Auslaßöffnung 18 wird ihre Temperatur registriert und es wird, sobald diese einen vorgegebenen Wert übersteigt, die Einspritzeinrichtung für das zu verdampfende Medium aktiviert. Letzteres gelangt dabei aus einem in der Figur nicht dargestell­ ten Vorratsbehälter über die Steuerventile 12 und 13, die intermittierend, d. h. im Pulsbetrieb, beaufschlagt werden, zur Einspritzdüse 11, von wo es in Form fein­ verteilter Flüssigkeitströpfchen auf die innere Ober­ fläche des Zylinders 1 auftrifft. Seine Strömungsrich­ tung ist in der Figur dabei durch gestrichelt gezeich­ nete Linien angedeutet.

Aufgrund der Abgabe der von der Kühlflüssigkeit einge­ brachten Wärme über die Wirbelkörper 4 und den inneren Zylinder 1 an dessen wärmeübertragende Innenfläche wegen des geringen Drucks im Prozeßraum 5, der während der nicht operationellen Zeiten unterhalb von 1 Milli­ bar liegt, geht der auf der Kapillarstruktur befind­ liche Flüssigkeitsfilm bereits bei relativ niedrigen Temperaturen unverzüglich in die Dampfphase über. Dieser Dampf, dessen Strömungsrichtung in der Figur durch offene Pfeile gekennzeichnet, ist, erhöht den Druck auf etwa 5 bis 10 mbar und strömt anschließend zur Auslaßöffnung 8, von wo er über den Auslaßflansch 9 und ein in der Figur nicht dargestelltes Schallventil eines Auspuffs in die Umgebung des Raumfahrzeuges ab­ geführt wird. Die Tatsache, daß die Bodenplatte 7 ebenfalls als Wärmeübertrager ausgebildet ist, bewirkt dabei, daß etwaig vom Dampf mitgerissene, noch unver­ dampfte Flüssigkeitströpfchen, die auf die Innenfläche der Bodenplatte 7 auftreffen, nachträglich verdampft werden, so daß praktisch die gesamte eingebrachte Flüssigkeitsmenge in Dampf übergeführt wird und voll­ ständig der Wärmeabfuhr dient.

Die Pausenzeiten zwischen den einzelnen Pulsen, mit denen das zu verdampfende Medium in den Prozeßraum 5 gelangt, sind so gewählt, daß die Innenfläche des Zylinders 1 sowie der Bodenplatte 7 jeweils wieder vollständig abtrocknen, bevor sie erneut benetzt werden. Die kapillarförmig aufgerauhte Struktur der inneren Oberfläche des Zylinders 1 bewirkt dabei zugleich eine gleichmäßige radiale Verteilung der zu verdampfenden Flüssigkeit. Die Wirbelkörper 4 dienen bei diesem Verdampfungsvorgang nicht nur zur Beein­ flussung der Strömung der Kühlflüssigkeit und damit zu einer intensiveren Wärmeabgabe, sie wirken zugleich auch als Rippen, die der Übertragung der Wärme aus der Kühlflüssigkeit auf den Zylinder 1 und damit an die die Verdampfung herbeiführenden Oberflächen dienen.

Claims (8)

1. Verdampfungswärmetauscher mit wenigstens einem aktiven Flüssigkeitskühlkreislauf zur Abführung von Wärme in Raumfahrzeugen, bei dem die Kühlflüssig­ keit in thermischen Kontakt mit einem zu verdampfen­ den Medium gebracht wird und der aus einem vorzugs­ weise zylindrischen Behälter besteht, in dessen Inneres das zu verdampfende Medium eingespritzt wird und dessen Wandung zur Bildung eines Ring­ spaltes aus einer äußeren und einer inneren Schale besteht, wobei das Kühlmittel den Ringspalt durch­ strömt und wobei im Ringspalt Mittel zur Ver­ besserung der Wärmeübertragung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Ringspalt (3) mehre­ re in Umfangsrichtung verlaufende Reihen länglich ausgebildeter Wirbelkörper (4) vorgesehen sind, deren Längsseiten in etwa senkrecht zur Strömungs­ richtung der Kühlflüssigkeit verlaufen und wobei die zu aufeinanderfolgenden Reihen gehörenden Wirbelkörper (4) versetzt zueinander angeordnet sind, und daß sich die Auslaßöffnungen (8) für das verdampfte Medium im zylindrischen Wandbereich des im Inneren des Behälters gebildeten Prozeßraumes (5) befindet.

2. Verdampfungswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (8) für das verdampfte Medium in demjenigen Endbereich des Prozeßraumes (5) angeordnet ist, in dem sich auch die Eintrittsöffnung (11) für das zu verdampfende Medium befindet.

3. Verdampfungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel­ körper (4) aus in Form unterbrochener Ringe gestal­ teten Querrippen bestehen.

4. Verdampfungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel­ körper (4) die Form länglicher Sechsecke aufweisen.

5. Verdampfungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel­ körper (4) rhombenförmig ausgebildet sind.

6. Verdampfungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel­ körper (4) einstückig an die innere Schale (1) angeformt sind.

7. Verdampfungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- bzw. Auslaßöffnungen (14, 15, 17) für die Kühlflüssigkeit jeweils in einer den Prozeßraum (5) endseitig abschließenden Kopf- bzw. Bodenplatte (6, 7) ange­ ordnet sind.

8. Verdampfungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Boden­ platte (7) ebenfalls als Wärmeübertrager ausge­ bildet ist.