CH632084A5 - Vorrichtung zum transport von waermeenergie zwischen zwei orten unterschiedlicher temperatur. - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Transport von Wärmeenergie zwischen zwei Orten unterschiedlicher Temperatur, z.B. für Kühlanlagen, Wärmegewinnungsanlagen oder Motorkühler, mit einem dicht verschlossenen
Rohr, welches mit einem Wärmeträger als Arbeitsmedium gefüllt ist, das am Ort höherer Temperatur, der Heizzone, verdampft und am Ort niedrigerer Temperatur, der Kühlzone, kondensiert und in der das Kondensat ständig zur Heizzone zurück-5 transportiert wird.
Solche vakuumdicht verschlossene Systeme, in deren Innenraum ein Wärmeträger zum Teil in flüssiger und zum Teil als gesättigter Dampf vorliegt, finden mehr und mehr technische und industrielle Anwendung, insbesondere auf dem Gebiet der ic Wärme- und Kältetechnik. Wird einem Bereich dieses Systems Wärme zugeführt, so verdampft dort der Wärmeträger und strömt zum kälteren oder gekühlten Bereich, wo er kondensiert und dabei seine Verdampfungswärme abgibt. Liegt die Kühlzone oberhalb der Heizzone, so wird das Kondensat aufgrund der 15 Schwerkraft in die Heizzone zurückfliessen. Thermische Bauelemente, bei denen zum Rücktransport des Kondensats die Schwerkraft ausgenutzt wird, werden als Wärmesiphons bezeichnet, während solche, bei denen der Rücktransport des Kondensats aufgrund kapillarer Kräfte bewirkt wird, als Wär-20 merohre bezeichnet werden.
Der Umlauf des Wärmeträgers wird durch den häufig sehr geringen Temperaturunterschied zwischen der Heiz- und der Kühlzone bewirkt. In der Heizzone herrscht ein höherer Dampfdruck als in der Kühlzone und dieses Druckgefälle treibt 25 den Dampf zum gekühlten Ende. Ein wesentlicher Vorteil dieser thermischen Bauelemente ist, dass ihre effektive Wärmeleitfähigkeit um Grössenordnungen höher ist als die der besten metallischen Leiter. Mit ihnen kann Wärme gegen die Schwerkraft transportiert werden. Sie sind einfach zu handhaben, leicht 30 zu montieren und wartungsfrei.
Diese thermischen Bauelemente müssen jedoch zunächst evakuiert und anschliessend mit einer vorbestimmten Menge eines Arbeitsmittels, d.h. dem Wärmeträger, gefüllt werden. Anschliessend muss das System druckdicht geschlossen werden. 35 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung in Form eines Wärmesiphons bzw. eines Wärmerohres zu schaffen, welches bei vorgegebener Leistimg wesentlich einfacher herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs er-40 wähnten Art dadurch gelöst, dass das Rohr über seine Länge so geformt ist, dass es mehrmals die Heiz- und Kühlzonen durchläuft.
Durch Formgebung eines evakuierten und gefüllten Rohres grosser Länge entstehen mehrere miteinander in Verbindung 45 stehende Wärmesiphons bzw. Wärmerohre. Dabei hat es sich als völlig überraschend erwiesen, dass ein Austrocknen eines der nebeneinanderliegenden Wärmerohre bzw. Wärmesiphons nicht vorkommt, da sich in diesem Fall die Kondensationszone des benachbarten flüssigkeitsführenden Systems in den von der 50 Austrocknung bedrohten Bereich hinein vergrössert, so dass dieser mit Flüssigkeit ausgefüllt wird. Es wird ein stabiler Zustand erreicht.
Nachfolgend werden anhand der schematischen Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel.
60 Das erste Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besteht aus einem Metallrohr 1, z.B. Kupfer-, Aluminium oder Edelstahlrohr, welches in Form einer Wendel gewickelt ist. Das Metallrohr 1 ist vorteilhafterweise aus einem Kupferband von beispielsweise 0,3 mm Wanddicke hergestellt. Das Kupferband wurde in einem 65 kontinuierlichen Arbeitsverfahren zu einem Schlitzrohr geformt, längsnahtverschweisst und anschliessend gewellt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, für das Metallrohr 1 ein nahtlos gezogenes Kupferrohr zu verwenden, welches nach dem letzten
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Zug weichgeglüht wurde und somit gut biegbar ist. Die Windungen können gleich- oder unterschiedlich lang sein.
Von der gefertigten Rohrlänge wird eine bestimmte Länge abgetrennt und an beiden Enden druckdicht mittels der Kappen 2 verschlossen. Eine der Kappen 2 weist einen nicht dargestellten Rohrstutzen auf, an den eine Vakuumpumpe angeschlossen werden kann, die das Rohr evakuiert. Nach dem Evakuieren wird der Wärmeträger eingeführt und der Rohrstutzen 2 druckdicht verschlossen. Das Wickeln des Rohres 1 kann entweder vor dem Evakuieren und Füllen des Rohres 1 oder aber auch danach vorgenommen werden.
Beim Ausführungsbeispiel ist die Heizzone 3 im unteren Bereich während die Kühlzone 4 im oberen Bereich gelegen ist, so dass das Kondensat aufgrund der Schwerkraft zur Heizzone 3 zurücktransportiert wird.
Zwischen den Heizzonen 3 und den Kühlzonen 4 sind Transportzonen, wobei die die Transportzonen bildenden Rohrbereiche im wesentlichen gestreckt verlaufen und eng aneinander liegen, während die die Heiz- und Kühlzonen 3 und 4 bildenden Rohrbereiche gefächert sind.
Beim Füllen des gewickelten Rohres 1 brauchen keine besonderen Vorkehrungen dahingehend getroffen werden, dass jede einzelne Windung mit dem Wärmeträger zumindest teilweise gefüllt ist, da sich das Arbeitsmittel nach Inbetriebnahme gleichmässig auf die einzelnen Windungen verteilt. Alle unten liegenden Bereiche bilden die Heizzone 3, während alle oben liegenden Bereiche die Kühlzone 4 bilden. Es ist also gelungen, aus einem zu einem Wärmesiphon oder Wärmerohr vorbereiteten Metallrohr 1 eine Vielzahl von nebeneinanderliegenden Wärmesiphons bzw. Wärmerohre herzustellen, was eine erhebliche Kosteneinsparung bedeutet bzw. den Wirkungsgrad eines Wärmerohres bzw. Wärmesiphons um ein Vielfaches erhöht. Es hat sich dabei völlig überraschend gezeigt, dass ein Austrocknen einer Rohrwindung nicht eintreten kann, da in diesem Fall die Kondensationszone der benachbarten Windungen sich bis in den Bereich der vom Austrocknen bedrohten Windungen ver-grössert, so dass das Arbeitsmittel in diese Windung wieder ein-fliesst.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 entspricht im wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, nur das hier das Metallrohr mäanderförmig gewickelt ist.
Die Erfindung beschränkt sich selbstredend nicht auf die dargestellten Wärmesiphons, sondern ist genauso anwendbar für Wärmetransportsysteme, die nach dem Prinzip des Wärmerohres arbeiten, d.h. bei dem der Rückstransport des Kondensats durch kapillare Kräfte verursacht wird. Für diesen Anwendungsfall ist es allerdings erforderlich, in das Rohrinnere ein Kapillarsystem einzubringen, beispielsweise in Form eines Kunststoffnetzes.
Beim dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist parallel zur Achse der Wendel von aussen ein balkenförmiges Element 5 aus gut wärmeleitendem Material, z.B. Kupfer, mit einem die Wärme gut leitenden Lot angelötet, welches Element 5 Ausneh-mungen 6 für jede Windung aufweist. Damit das Kondensat aufgrund der Schwerkraft zur Heizzone 3 zurücktransportiert werden kann, sind die einzelnen Windungen des Wellrohres 1 unter einem Winkel a zur Längsachse des balkenförmigen Elements 5 ausgerichtet, welcher kleiner als 90° ist. An dem balkenförmigen Element 5 können in gut wärmeleitendem Kontakt eine oder mehrere Wärmeenergie zu- bzw. abführende Aggregate 7, beispielsweise elektronische Bauelemente, wie Thyristoren, angebracht werden. Im umgekehrten Betriebsfall weisen 5 die Windungen eine Neigung von etwas mehr als 90° zur Vertikalen auf.
Die von den Wärmeerzeugern frei werdende Wärmeenergie wird auf das balkenförmige Element 5 übertragen, welches wiederum aufgrund seiner guten thermischen Leitfähigkeit diese ic auf die einzelnen Windungen des Wellrohres 1 weitergibt. Der im Bereich der Heizzone 3 befindliche flüssige Wärmeträger wird durch die zugeführte Wärmeenergie verdampft und strömt dabei aufgrund des Druckunterschiedes in den Bereich der Kühlzone 4, wo es kondensiert und aufgrund der geneigten Anis Ordnung der einzelnen Windungen zur Heizzone 3 zurückströmt. Die Kühlung im Bereich der Kühlzone 4 kann noch durch eine Zwangskonvektion, beispielsweise durch einen nicht dargestellten Ventilator, erhöht werden.
Es könnte weiterhin denkbar sein, die balkenförmigen Ele-20 mente 5 zweier gleichartiger erfindungsgemässer Vorrichtungen wärmeleitend miteinander zu verbinden und diese Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen zwei strömenden Medien zu verwenden. Es versteht sich dabei von selbst, dass bei der zweiten Vorrichtung dann die Kühlzonen bzw. Heizzonen umge-25 kehrt sein müssen.
Man könnte auch mehrere Vorrichtungen mittels ihres balkenförmigen Elementes 5 an einer Rohrwandung anbringen, in welcher ein zu kühlendes Medium fliesst.
30 Beim vierten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist das Metallrohr 1 zu einem mäanderartigen Gebilde geformt. Die Windungen 8 des so vorbereiteten Rohres 1, werden in einen zum Beispiel rohrförmigen Behälter 9 durch Öffnungen 10 eingeführt und mit der Wandung des Behälters dicht verlötet. Durch die 35 Anschlussöffnungen 11 und 12 des Behälters 9 kann nun zum Beispiel ein zu kühlendes Medium, etwa Wasser in einem Motorkühler, z.B. beim Automobilmotor, zu- bzw. abgeführt werden. Im Bereich der Kühlzone 4 wird die durch den Verdamp-fungs- bzw. Kondensationsprozess aus dem zu kühlenden Me-40 dium gewonnene Wärmeenergie durch den Fahrtwind bzw. mittels eines nicht dargestellten zusätzlichen Ventilators entfernt, indem die Wärme an die vorbeiströmende Luft abgegeben wird.
Ähnlich verfährt man bei stationären Anlagen, in denen entweder über Ventilatoren oder über einen Kühlturm für den 45 nötigen Luftumsatz gesorgt wird. Je nach Auslegung können die Windungen auch annähernd waagrecht und dann auch beidseitig am Rohr 9 angeordnet sein.
Bei einer Betriebsweise, in welcher das umlaufende Medium angewärmt werden soll, wie zum Beispiel in einer Wärmegewin-50 nungsanlage bei Entnahme von Wärme aus dem Erdboden, dem Grundwasser oder der Luft wird sich der Behälter 9 oberhalb des Metallrohres 1 befinden.
Durch entsprechende Auslegung der Rohroberfläche innerhalb und ausserhalb des Behälters kann dem unterschiedlichen 55 Wärmetausch auf der Gas- bzw. Flüssigkeitsseite je nach vorgesehenen Betriebszustand optimal Rechnung getragen werden.
Auch in Kühlanlagen mit einem Kühlmittelumlauf ist die erfindungsgemässe Vorrichtung verwendbar.
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2 Blatt Zeichnungen
Claims (12)
1. Vorrichtung zum Transport von Wärmeenergie zwischen zwei Orten unterschiedlicher Temperatur, z.B. für Kühlanlagen, Wärmegewinnungsanlagen oder Motorkühler, mit einem dicht verschlossenen Rohr (1), welches mit einem Wärmeträger als Arbeitsmedium gefüllt ist, das am Ort höherer Temperatur, der Heizzone (3), verdampft und am Ort niedrigerer Temperatur, der Kühlzone (4), kondensiert und in der das Kondensat ständig zur Heizzone (3) zurücktransportiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1) über seine Länge so geformt ist, dass es mehrmals Heizzonen (3) und Kühlzonen (4) durchläuft.
2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1), z.B. aus Kupfer, Aluminium oder Edelstahl, wendeiförmig oder mäanderförmig geformt ist und die Windungen gleich-oder unterschiedlich lang sind.
3. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Mäander übereinander angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1) als nahtlos gezogenes oder als längs-nahtgeschweisstes und gewelltes Metallrohr ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Heizzone (3) bildenden Rohrbereiche auf einem tieferen Niveau liegen, als die die Kühlzone (4) bildenden Rohrbereiche.
6. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern eines Wärmerohres Kapillaren angeordnet sind, die das Kondensat zur Heizzone (3) transportieren.
7. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Heizzonen (3) und den Kühlzonen (4) Transportzonen sind, dass die die Transportzonen bildenden Rohrleitungsbereiche im wesentlichen gestreckt verlaufen und eng aneinander liegen, während die die Heizzonen (3) und Kühlzonen (4) bildenden Rohrleitungsbereiche gefächert sind.
8. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Heizzone (3) oder der Kühlzone (4) ein in wärmeleitendem Kontakt zu den einzelnen Windungen des Rohres (1) stehendes, balkenförmiges Element (5) aus wärmeleitendem Material, z.B. Kupfer, die einzelnen Windungen untereinander verbindet (Fig. 3).
9. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das balkenförmige Element (5) für jede wendelförmige Winde eine Ausnehmung (6) aufweist, deren mit dem Wellrohr (1) in Berührung stehende Oberfläche der Kontur des Wellrohres (1) angepasst ist.
10. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 1,8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen mit dem balken-förmigen Element (5) durch eine die Wärme leitende Lotschicht verbunden und die Windungen im Abstand zueinander angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 1,8,9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei vertikaler Anordnung des bal-kenförmigen Elementes (5) jede Windung geneigt zur Horizontalen und nahezu parallel zu den ihr benachbarten Windungen verläuft.
12. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen des Rohres (1) im Bereich der Heiz- und /oder Kühlzone (3,4) von einem Behälter (9) flüssigkeitsdicht umgeben sind, der von einem abzukühlenden oder zu erwärmenden Medium durchflössen ist (Fig. 4).
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