DE102014100043A1

DE102014100043A1 - Kondensationseinheit und Verfahren zur Abkühlung eines Fluides und/oder eines Gegenstandes

Info

Publication number: DE102014100043A1
Application number: DE102014100043.9A
Authority: DE
Inventors: Udo Hellwig
Original assignee: Erk Eckrohrkessel GmbH
Current assignee: ERK ECKROHRKESSEL HOLDING GMBH, DE
Priority date: 2014-01-03
Filing date: 2014-01-03
Publication date: 2015-07-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kondensationseinheit zur Kondensation eines gasförmigen Wärmeträgermediums (10), mit einem Hohlraum (20) zur Aufnahme des Wärmeträgermediums (10), wobei die Kondensationseinrichtung an wenigstens einer den Hohlraum (10) begrenzenden Oberfläche (22) zumindest bereichsweise eine Oberflächenstrukturierung (30) aufweist, und mit einer Einrichtung zur Realisierung eines Gas-Volumenstromes (40) des Wärmeträgermediums (10) entlang wenigstens eines Abschnittes der mit der Oberflächenstrukturierung (30) versehenen Oberfläche (22) zwecks Übertragung von Wärme vom Wärmeträgermedium (10) in die Oberfläche (22) und Kondensation des Gases. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Oberflächenstrukturierung (30) mehrere Formelemente (31) umfasst, die sich in den Hohlraum (20) hinein erstrecken. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abkühlung eines Fluides und/oder eines Gegenstandes, bei dem Wärme des Fluides und/oder des Gegenstandes auf ein Wärmeträgermedium (10) in einer erfindungsgemäßen Kondensationseinheit übertragen wird, das Wärmeträgermedium (10) die Kondensationseinheit durchströmt, Wärme vom Wärmeträgermedium (10) wieder auf die Kondensationseinheit übertragen wird und von dieser an die Umgebung abgegeben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kondensationseinheit eines gasförmigen Wärmeträgermediums sowie ein Verfahren zur Abkühlung eines Fluides und/oder eines Gegenstandes mittels der erfindungsgemäßen Kondensationseinheit.
Durch die bei einer Kondensation erfolgende Wärmeabfuhr aus einem Wärmeträgermedium lässt sich dieses bzw. thermisch mit diesem Medium gekoppelte Fluide und/oder Gegenstände kühlen.
Im Bereich der industriell genutzten Kondensation wird in Wärmeübertragungsvorrichtungen üblicherweise ein Kondensatfilm an der wärmeübertragenden Oberfläche erzeugt. Dieser Kondensatfilm ist durchaus erwünscht. Nachteilig ist jedoch eine derartige Dicke des Kondensatfilms, die wärmetechnisch isolierend wirkt und somit die weitere Kondensation ineffektiv gestaltet.
Neben der Filmkondensation existiert weiterhin die Tropfenkondensation, wenn das Kondensat die wärmeübertragende Oberfläche nicht vollständig benetzt. Diese Tropfenkondensation hat den Vorteil, dass aufgrund unbenetzter Areale der wärmeübertragenden Oberfläche insgesamt der Wärmeübergangskoeffizient erheblich größer ist als bei der Filmkondensation.
Eine besondere Einrichtung zur Wärmeabfuhr aus Fluiden und/oder Gegenständen ist ein Wärmerohr, wie es in 1 dargestellt ist. Ersichtlich ist hier ein normales Rohr, welches den in den rechten Darstellung in 1 erkennbaren Hohlraum 20 aufweist. Dieses Rohr ist an seinen beiden Enden verschlossen, nämlich durch einen ersten Verschluss 33 sowie einen zweiten Verschluss 34. Es ist, wie in 1 und 2 dargestellt, senkrecht anzuordnen. Im Inneren des Wärmerohres 1 befindet sich ein Wärmeträgermedium 10, welches entweder als Dampf 11 oder als Kondensat 12 vorliegt. Durch Einleitung von Wärme in einer Heizzone 41 im unteren Bereich des Wärmerohres 1 wird das Wärmeträgermedium 10 derart erhitzt, dass es als Dampf 11 vorliegt. Dieser Dampf 11 strömt auf Grund dessen geringerer Dichte im zentralen Bereich des Hohlraumes 20 nach oben. Durch den ersten Verschluss 33 an der Oberseite des Wärmerohres wird der Volumenstrom des Dampfes 11 umgelenkt, so dass das Wärmeträgermedium 10 an der Oberfläche des Hohlraumes 20 entlang geführt wird, wobei Wärme vom Wärmeträgermedium 10 auf das Wärmerohr 1 und von diesem an die Umgebung abgegeben wird. Der erste Verschluss 33 dient somit ebenfalls als Einrichtung zur Umlenkung des Gas-Volumenstroms 44. Dadurch existiert ein Bereich niederer Temperatur, die sogenannte Kühlzone 43, welche der Heizzone 41 gegenüberliegt, und in der das Wärmeträgermedium 10 in ein Kondensat 12 überführt wird, welches schwerkraftbedingt über eine adiabate Zone 42 wieder nach unten in die Heizzone 41 strömt, wo es erneut erhitzt und verdampft wird. Die Heizzone 41 bewirkt zusammen mit der Kühlzone 43 dabei eine Einrichtung zur Realisierung eines Gas-Volumenstromes 40 auf Grund der dadurch erzeugten thermisch bedingten Dichteunterschiede im Wärmeträgermedium 10.
Dadurch, dass die Oberfläche des Hohlraumes 20 mit einem Kondensat-Film bedeckt ist, verhindert dieser selbst eine effiziente Wärmeübertragung.
Aus der US 2,350,348 ist eine Wärmeübertragungsvorrichtung zur Verdampfung sowie Kondensation bekannt. Hier erfolgt eine Kondensation an einer porös strukturierten Oberfläche. Die die Poren erzeugenden Kapillaren verlaufen im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche. Bei Übertragung von Wärme eines gasförmigen Wärmeträgermediums auf die poröse Oberfläche und dadurch bedingter Kondensation des Wärmeträgermediums entsteht an der porösen Oberfläche ein Film relativ großer Dicke. Dieser Film verringert den Wärmeübergangskoeffizienten und wirkt sich somit derart thermisch isolierend aus, dass eine effiziente Abkühlung und Kondensation verbleibenden gasförmigen Mediums an der porösen Oberfläche erschwert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Kondensationseinheit zur Kondensation eines gasförmigen Wärmeträgermediums zwecks dessen Abkühlung sowie ein Verfahren zur Abkühlung eines Fluides und/oder eines Gegenstandes zur Verfügung zu stellen, mit denen ein einfacher, effizienter, wartungsarmer und in kostengünstiger Weise ein Wärmeträgermedium abkühlbar und kondensierbar und ein thermisch mit diesem Wärmeträgermedium gekoppeltes Fluid und/oder ein thermisch mit diesem Wärmeträgermedium gekoppelter Gegenstand ebenfalls abkühlbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Kondensationseinheit nach Anspruch 1 sowie durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Abkühlung eines Fluides und/oder eines Gegenstandes nach Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kondensationseinheit sind in den Unteransprüchen 2 bis 14 angegeben.
Die erfindungsgemäße Kondensationseinheit ist zur Kondensation eines gasförmigen Wärmeträgermediums eingerichtet und umfasst einen Hohlraum zur Aufnahme des Wärmeträgermediums, wobei die Kondensationseinrichtung an wenigstens einer den Hohlraum begrenzenden Oberfläche zumindest bereichsweise eine Oberflächenstrukturierung aufweist. Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Kondensationseinheit eine Einrichtung zur Realisierung eines Gas-Volumenstromes des Wärmeträgermediums entlang wenigstens eines Abschnittes der mit der
Oberflächenstrukturierung versehenen Oberfläche zwecks Übertragung von Wärme vom Wärmeträgermedium in die Oberfläche und Kondensation des Gases. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Oberflächenstrukturierung mehrere Formelemente umfasst, die sich in den Hohlraum hinein erstrecken. Der Hohlraum ist von dem gasförmigen und/oder flüssigen Fluid im Wesentlichen und vorzugsweise vollständig frei durchströmbar. Der Volumenstrom des Fluides erfolgt dabei vorzugsweise in Längsrichtung des Hohlraumes, wobei die Länge des Hohlraumes wenigstens doppelt so groß ist wie dessen maximale Quererstreckung.
Die erfindungsgemäße Kondensationseinheit dient zur zumindest anteiligen Kondensation des Wärmeträgermediums, wobei durch Wärmeübertragung vom Wärmeträgermedium in die Oberfläche der Kondensationseinheit das Wärmeträgermedium abgekühlt wird. Die in den Hohlraum hineinragenden Formelemente sind aus einem festen Material hergestellt, welches z. B. das Material einer die Oberfläche ausbildenden Rohrwand sein kann. Alternativ sind die Formelemente aus einem anderen Material als das der Oberfläche ausgebildet, wobei die Formelemente an der Oberfläche befestigt sind.
Der Hohlraum ist vorzugsweise vollständig leer, bis auf die Formelemente, die sich in ihn hinein erstrecken. Die maximale Erstreckung der Formelemente reicht bis in eine Ebene, die im Wesentlichen parallel zu der jeweiligen Oberfläche verläuft, an der die Formelemente angeordnet sind, so dass zwischen dieser Ebene und der Fläche, an der die Formelemente angeordnet sind, eine ideelle Schicht ausgebildet ist. Der Anteil des Volumens der Summe der Formelemente an dieser Oberfläche im Bezug zum Volumen der Schicht an dieser Oberfläche ist vorzugsweise ein 1/4 bis 1/3. Das heißt, dass der Abstand zwischen den Formelementen wesentlich größer ist als die größte Dicke der Formelemente, gemessen parallel zu der Oberfläche, an der die Formelemente angeordnet sind.
Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht insbesondere darin, dass die nach innen gerichtete Struktur die Tropfenbildung und somit die Sammlung von Kondensat an bestimmten Punkten an der jeweiligen Oberfläche fördert, so dass in umliegenden Arealen weniger oder keine Flüssigkeit die Oberfläche benetzt und demzufolge an diesen Bereichen eine effiziente Kondensation durchführbar ist. Zudem wird durch die Strukturierung der Oberfläche mit den Formelementen eine vergrößerte Wärmeübertragungsoberfläche erzeugt, die sich ebenfalls günstig auf den Wärmeübergangskoeffizient auswirkt. Durch die Formelemente wird zudem ein schnelles Abfließen des Wärmeträgermedium-Kondensats in den Bereichen der Formelemente ermöglicht, so dass es beschleunigt zur Tropfenbildung kommt. Bei entsprechender Ausrichtung der jeweiligen Oberfläche und/oder Durchführung von Maßnahmen zum Lösen der Tropfen lassen sich diese von den Formelementen trennen, so dass auch die Formelemente selbst erneut wärmetechnisch unisoliert der Kondensation zur Verfügung stehen.
Um eine möglichst große Begrenzungsfläche des Hohlraumes für die Kondensation auszunutzen, wird die Einrichtung zur Realisierung des Gas-Volumenstromes zur Erzeugung einer Gasströmung entlang der Oberfläche und zur Übertragung von Wärme in möglichst große Bereiche der Oberfläche genutzt.
Die erfindungsgemäße Kondensationseinheit lässt sich somit auch zur Abkühlung eines Fluides und/oder eines Gegenstandes verwenden, das bzw. der thermisch mit der erfindungsgemäßen Kondensationseinheit gekoppelt ist, wobei Wärme vom Fluid und/oder vom Gegenstand in das Wärmeträgermedium der Kondensationseinheit übertragen wird und von dieser an die Umgebung abgeführt wird.
In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Hohlraum eine Längserstreckung aufweist, von der wenigstens eine Richtungskomponente senkrecht verläuft. Idealerweise verläuft der gesamte Hohlraum senkrecht. Bei Ausgestaltung der Kondensationseinheit als Rohr ist demzufolge vorgesehen, dass dieses Rohr senkrecht angeordnet ist. Dabei ist die Erfindung nicht auf die senkrechte Anordnung eingeschränkt, sondern alternativ kann die Kondensationseinheit auch in Bezug zur Senkrechten etwas geneigt sein, maximal bis zu einem Winkel von 20°C in Bezug zur vertikalen bzw. lotrechten Ausrichtung. Aufgrund der senkrechten Erstreckung der Kondensationseinheit kann sich ein an einem oder mehreren Formelementen gebildeter Tropfen schwerkraftbedingt von diesem lösen und abfallen, so dass der von dem Tropfen befreite Bereich wieder vollständig und ohne wärmetechnisch isolierenden Flüssigkeitsfilm erneut der Kondensation dienen kann.
In alternativer Ausgestaltung verläuft die Längserstreckungsrichtung des Hohlraumes der Kondensationseinheit im Wesentlichen waagerecht, wobei ein Abfluss von Kondensat von der Oberfläche eines jeweiligen Formelementes und Sammlung an dessen Spitze bzw. dessen Zenit bzw. an dem am weitesten in den Hohlraum hineinragenden Punkt erfolgt, von dem sich der dadurch entstehende Tropfen bei ausreichender Größe und/oder bei Durchführung geeigneter Maßnahmen ebenfalls lösen und abfallen kann, so dass das jeweilige Formelement wieder von Flüssigkeitsfilm unbedeckt ist und vollständig der Kondensation zur Verfügung steht. Hierbei ist die durch die Formelemente erzeugte Struktur vorzugsweise an der Oberseite des Hohlraumes angeordnet, so dass sich die Formelemente von oben nach unten in den Hohlraum erstrecken.
In weiterführender Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Kondensationseinheit eine Einrichtung zur Umlenkung eines im Wesentlichen zentral im Hohlraum parallel zur Längserstreckung strömenden Gas-Volumenstromes des Wärmeträgermediums innerhalb des Hohlraumes umfassen, um nach Umlenkung den Gas-Volumenstrom des Wärmeträgermediums entlang wenigstens eines Abschnittes der mit der Oberflächenstrukturierung versehenen Oberfläche zwecks Wärmeübertragung und Kondensation des Gases zu realisieren. Das heißt, dass durch die Umlenk-Einrichtung ein Gegenstrom im Hohlraum erzeugt wird, wobei als erster Volumenstrom gasförmiges Wärmeträgermedium zentral im Hohlraum strömt und nach Umlenkung dieses Wärmeträgermediums in entgegengesetzter Richtung an der Oberfläche zunächst ebenfalls gasförmiges Wärmeträgermedium und nach Kondensation sowie in Abhängigkeit von der Ausrichtung des Hohlraumes auch flüssiges Wärmeträgermedium fließt. Diese Umlenk-Einrichtung kann ein einfacher Verschluss des Hohlraumes sein, z. B. eine Kappe.
In dieser Ausgestaltung ist die Kondensationseinheit ein Wärmerohr, wobei eine Komponente der Einrichtung zur Realisierung des Gas-Volumenstromes entlang der Oberfläche durch die Umlenkeinrichtung zur Verfügung gestellt wird.
Ein solches Wärmerohr, welches auch als „heat pipe“ bezeichnet wird, dient z.B. als Apparatur für die Wärmeübertragung im Bereich der Kühlung von Mikroprozessoren oder auch von Erdölleitungen auf Permafrostböden. Es handelt sich hierbei oftmals um beidseitig geschlossene Rohre, in denen das Wärmeträgermedium selbstständig zirkuliert. Die Zirkulation wird dadurch hervorgerufen, dass das Wärmeträgermedium innerhalb des Rohres in flüssiger als auch in dampfförmiger Phase vorliegt, und dass zwischen den beiden den als Wärmequelle und Wärmesenke fungierenden Rohrenden eine Temperaturdifferenz besteht, die einen Zwangsumlauf bewirkt. An der Wärmequelle wird Wärme in das Wärmeträgermedium übertragen, so dass dieses verdampft und im zentralen Bereich des Wärmerohres aufsteigt. Am anderen Rohrende, der Wärmesenke, wird durch eine entsprechende Umlenkeinrichtung der Dampf derart umgelenkt, dass er an der Begrenzungsfläche des Rohr-Innenraumes entlang strömt, so dass er auf Grund der niederen Temperatur der Rohrwand kondensiert, wobei Wärme an das Rohr bzw. die Umgebung abgegeben wird. Das Kondensat fließt schwerkraftbedingt wieder in den Bereich der Wärmequelle, wo es erneut verdampft und als gasförmiges Medium wieder in Umlauf gebracht wird.
Nenndurchmesser derartig beidseitig geschlossener Rohre, in denen das Wärmeträgermedium selbstständig zirkuliert, betragen bevorzugt zwischen 5 mm und 200 mm, wobei sich insbesondere Nenndurchmesser von 10 mm bis 80 mm als besonders effektiv herausgestellt haben.
In bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kondensationseinheit ist das Formelement der Oberflächenstrukturierung ein konvexer Bereich einer den Hohlraum realisierenden Rohrwandung. Das heißt, dass die Rohrwandung an ihrer Innenseite die den Hohlraum begrenzende Oberfläche ausbildet. Das daran angeordnete Formelement kann die Form einer Beule haben, so dass die den Hohlraum begrenzende Oberfläche vergrößert ist und demzufolge effizienter Wärme vom Wärmeträgermedium in die Umgebung abführen kann. Der weitere Vorteil des konvexen Formelementes besteht darin, dass die Formelemente von bereist erzeugtem Kondensat-Film im Wesentlichen umflossen werden, so dass die Formelemente nicht von Kondensat-Film bedeckt sind und weiterhin vollständig der Kondensation zur Verfügung stehen. Insofern der konvexe Bereich lediglich gasförmigem Wärmeträgermedium ausgesetzt ist, kommt es in beschriebener Art und Weise an diesem Bereich zur Tropfenkondensation und somit ebenfalls zur Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten in diesem Bereich.
Die konvexen Bereiche sind vorzugsweise durch Verformung bzw. Einbeulung der Rohrwandung erzeugt, so dass an der Außenseite der Rohrwandung ein entsprechend komplementäres konkaves Formelement ausgebildet ist, welches auch hier die Oberfläche zwecks Wärmeübertragung an die Umgebung vergrößert.
Die konvexen Bereiche können dabei linear hintereinander in Längserstreckung des Rohres an dessen Innen- und/oder Außenseite angeordnet sein, wobei benachbarte konvexe Bereiche nebeneinander angeordneter Reihenanordnungen zueinander versetzt oder auch das gleiche Positionsmaß in Richtung der Längserstreckung aufweisen.
Hinsichtlich der Dimensionierung des konvexen Bereiches ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Tiefe t des konvexen Bereiches in Bezug zur maximalen Weite W des Hohlraums in Richtung der Tiefe des konvexen Bereiches in einem Verhältnis von t = 0,07...0,1 W steht. Das heißt, dass die Tiefe des konvexen Bereiches maximal 1/10 der Weite des Hohlraumes beträgt. Die Weite ist dabei in dem Bereich des konvexen Bereiches zu messen, d. h. in der Querschnittsebene, in der der konvexe Bereich angeordnet ist, und zwar ohne Einbeziehung des konvexen Bereiches selbst.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der konvexe Bereich im Wesentlichen die Form eines Kugelsegmentes oder eines an der Spitze abgerundeten Kegels aufweist, wobei der Durchmesser d der jeweiligen Grundfläche zur maximalen Weite W des Hohlraumes in Richtung der Tiefe des konvexen Bereiches in einem Verhältnis von d = 0,2...0,5 W steht. Der bevorzugte Durchmesser der jeweiligen Grundfläche des Kugelsegmentes bzw. des abgerundeten Kegels beträgt d = 0,33 W.
Einander benachbarte konvexe Bereiche sollten einen Abstand a zueinander aufweisen, der zur maximalen Weite W des Hohlraumes in Richtung der Tiefe des konvexen Bereiches in einem Verhältnis von a = 0,8...1,2 W steht. Ein Abstand von a = W hat sich als effizient hinsichtlich der Kondensationsleistung herausgestellt.
Die Erfindung ist dabei nicht die Anordnung relativ großer und vereinzelter Formelemente an der Oberfläche eingeschränkt, sondern die erfindungsgemäße Kondensationseinheit kann auch derart ausgestaltet sein, dass die Formelemente der Oberflächenstrukturierung eine Mikrostruktur ausbilden, wobei die Formelemente als Vorsprünge ausgebildet sind, die eine sich in den Hohlraum erstreckenden Längserstreckung mit der Länge L haben, wobei die Länge L die Bedingung L ≤ 195 μm erfüllt. Durch diese Mikrostruktur ist ein sehr dünner Kondensationsfilm auf den Vorsprüngen erzeugbar, der zudem sehr leicht abfließt, da der durch die Mikro-Vorsprünge realisierte Kapillardruck umso höher ist, je kleiner die Kontaktierungsfläche zwischen dem Kondensationsfilm und der wärmeübertragenden Oberfläche ist. Durch die schnelle Ablösung des entstehenden Filmes wird auch hier erreicht, dass die Oberfläche bzw. die sie bedeckende Struktur im Wesentlichen von Kondensat unbenetzt ist und somit vollständig zur Wärmeabfuhr aus dem Wärmeträgermedium zur Verfügung steht. Dadurch kann ein ausgezeichneter thermischer Wirkungsgrad sowie ein ungewöhnlich großer Wärmetransport aus dem Wärmeträgermedium sichergestellt werden.
In dieser Ausgestaltungsvariante ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Vorsprünge im Wesentlichen stiftförmig ausgeführt sind und eine Dicke m zwischen 100 μm und 0,2 μm aufweisen. Die Dicke bezeichnet hier den Durchmesser bei stiftförmigen Vorsprüngen mit Zylinderschaft.
Die Anzahl der Vorsprünge je Flächeneinheit ist in Abhängigkeit von der Dicke der stiftförmigen Vorsprünge gestaltet, wobei bei einer Dicke der stiftförmigen Vorsprünge zwischen 100 μm und 0,2 μm die Anzahl der Vorsprünge zwischen 10²/cm²und 10⁸/cm² beträgt.
Das heißt, dass mit zunehmender Dicke der Vorsprünge bzw. mit zunehmendem Durchmesser ihres jeweiligen stiftförmigen Bereiches die Dichte Ihrer Anordnung umso geringer ist. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Form der stiftförmigen Vorsprünge gleich ist und die lichte Weite zwischen den Vorsprüngen regelmäßig ist.
Diese lichte Weite lW zwischen den Vorsprüngen sollte vorzugsweise zwischen 0,6 μm und 1000 μm betragen.
Hinsichtlich der Form der Vorsprünge ist die Form einer zylindrischen Säule oder eines Kegels, Kegelstumpfs oder die Form mehrerer, aufeinander gesetzter Kegelstümpfe vorzuziehen. Eine weitere günstige Ausgestaltungsvariante ist eine Stiftform, die einen zylindrischen Ständer umfasst, an dessen freien Ende ein Kugelsegment angeordnet ist, so dass dieser Vorsprung im Wesentlichen eine Pilzform aufweist.
Die erfindungsgemäße Kondensationseinheit kann dabei in wenigstens einem Areal der den Hohlraum begrenzenden Oberfläche einander überdeckend ein oder mehrere konvexe Formelemente sowie die genannte Mikrostruktur aufweisen. Das heißt, dass z. B. an einem oder mehreren konvexen Bereichen zusätzlich die Mikrostruktur angeordnet sein kann, zur Kombination der technologischen Wirkungen dieser beiden Strukturierungen, insbesondere zwecks der von der Mikrostruktur bewirkten Erleichterung des Abfließens von Kondensat in Verbindung mit der von den konvexen Bereichen erleichterten Tropfenbildung.
In weiterer Ausbildung der erfindungsgemäßen Kondensationseinheit kann diese zusätzlich zu den konvexen Formelementen und/oder zu den mikrostrukturierten Vorsprüngen weitere Formelemente einer Oberflächenstrukturierung aufweisen, die eine Mikrostruktur ausbilden, wobei diese Formelemente die Form von Poren aufweisen und eine sich zum Rohre erstreckende Längserstreckung sowie zwischen sich eine lichte Weite aufweisen, wobei die lichte Weite maximal 100 μm beträgt. Die lichte Weite sollte vorzugsweise zwischen 0,2 μm und 100 μm betragen, bei einer Länge von maximal 195 μm. Die Anzahl dieser Poren je Flächenelement sollte zwischen 10²/cm² und 10⁸/cm² betragen. Auch dadurch wird, in ähnlicher Weise wie bei den beschriebenen mikrostrukturellen Vorsprüngen, das leichte Abfließen eines Kondensationsfilmes erreicht.
Zur Lösung der Aufgabe wird des Weiteren ein Verfahren zur Abkühlung eines Fluides und/oder eines Gegenstandes zur Verfügung gestellt, bei dem Wärme des Fluides und/oder des Gegenstandes auf ein Wärmeträgermedium in einer erfindungsgemäßen Kondensationseinheit übertragen wird, wobei das Wärmeträgermedium die Kondensationseinheit durchströmt, Wärme vom Wärmeträgermedium wieder auf die Kondensationseinheit übertragen wird und von dieser an die Umgebung abgegeben wird. Dabei kann die Wärmeübertragung auf das Wärmeträgermedium innerhalb der Kondensationseinheit ebenfalls über die Kondensationseinheit selbst erfolgen. Der Bereich des Wärmeeintrages in das Wärmeträgermedium bzw. in die Kondensationseinheit ist dabei ein anderer als der Bereich der Abgabe von Wärme vom Wärmeträgermedium auf die Kondensationseinheit und die Umgebung.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigt:
1 ein herkömmliches Wärmerohr in Ansicht von vorn sowie in Schnittansicht,
2 ein herkömmliches Wärmerohr mit darin vorhandenen Strömungen,
3 eine erfindungsgemäße Kondensationseinheit in Ansicht von der Seite sowie in Schnittansicht,
4 einen Ausschnitt aus der in 3 dargestellten Kondensationseinheit, und
5 einen vergrößerten Bereich der Oberfläche einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kondensationseinheit.
Ein herkömmliches Wärmerohr, wie es in den 1 und 2 dargestellt ist, wurde bereits in der Erläuterung des Standes der Technik beschrieben.
Eine erfindungsgemäße Kondensationseinheit ist in 3 dargestellt. Diese Kondensationseinheit ist beispielhaft ebenfalls als Wärmerohr 1 ausgeführt. Es hat eine rohrtypische Längserstreckung 21. Die den Hohlraum 20 begrenzende Oberfläche 22 ist mit einer Oberflächenstrukturierung 30 versehen.
Diese Oberflächenstrukturierung 30 ist in 4 deutlicher erkennbar. Die Oberflächenstrukturierung umfasst in diesem Fall mehrere Formelemente 31, die sich als konvexe Bereiche 32 in den Hohlraum 20 erstrecken.
Die konvexen Bereiche 32 vergrößern die Oberfläche 22, so dass mehr Wärme von einer derartigen Kondensationseinheit je Zeiteinheit übertragbar ist als von einer Kondensationseinheit mit glatter Oberfläche.
In 4 ist erkennbar, dass an der Oberfläche 22 entstehendes Kondensat 12 sich auf den konvexen Bereichen 32 zu einem Tropfen 50 sammelt. In Abhängigkeit von der Oberflächenspannung des Kondensates und/oder von Maßnahmen zur Lösung des Tropfens, wie z. B. Vibrationen, kommt es zur Ablösung des Tropfens 50, so dass dieser schwerkraftbedingt in den unteren, vom zweiten Verschluss 34 verschlossenen Bereich des Wärmerohres 1 fällt, in dem bereits Kondensat 12 gesammelt ist. Wie bereits bezüglich 2 erläutert, fungiert dieses Ende des Wärmerohres 1 als Heizzone, wo es auf Grund des Eintrages von Wärme zur Verdampfung des Kondensates 12 kommt. Dadurch steigt das Wärmeträgermedium als Dampf 11 wieder auf, so dass es nach Umlenkung am oberen Bereich diese Wärme wieder über die Oberfläche 22 an die Umgebung abgeben kann.
Es ist in 4 ersichtlich, dass die Tiefe t eines konvexen Bereiches 32 wesentlich geringer ist als die maximale Weite des Hohlraumes W. Der Durchmesser des konvexen Bereiches d sollte den jeweiligen Abständen a mehrerer konvexen Bereiche 32 angepasst sein.
In weiterer oder alternativer Ausführung der erfindungsgemäßen Kondensationseinheit sind an der Oberfläche 22, die den Hohlraum 20 begrenzt, mehrere Vorsprünge 61 einer Mikrostruktur 60 angeordnet. Diese können, wie in 5 dargestellt, eine Pilzform aufweisen, wobei die Mikrostruktur nicht auf derartige Vorsprünge eingeschränkt ist, sondern die Vorsprünge auch eine einfache Zylinderform oder auch Kegelform aufweisen können. Die Vorsprünge 61 weisen dabei im Bereich ihres Schaftes eine Dicke m auf, die dem Durchmesser eines Zylinderschaftes entspricht. Die lichte Weite LW zwischen den Vorsprüngen 61 entspricht dem Maß des geringsten Abstandes zwischen zwei Vorsprüngen 61. Die Länge eines jeweiligen Vorsprunges 11 beträgt vorzugsweise maximal 195 μm. Ein auf Grund des Temperaturunterschiedes zwischen dem Wärmeträgermedium 20 und der Oberfläche 22 entstehender Kondensationsfilms 70 ist sehr dünn und wirkt sich dementsprechend nur geringfügig wärmeisolierend aus, und/oder fließt auf Grund der mikrostrukturierten Oberfläche sehr leicht ab, so dass die Oberfläche bzw. die daran angeordneten Formelemente 31 im Wesentlichen von Kondensat unbedeckt sind und somit zur vollständigen Wärmeübertragung zur Verfügung stehen.
Bezugszeichenliste

1: Wärmerohr
10: Wärmeträgermedium
11: Dampf
12: Kondensat
20: Hohlraum
W: maximale Weite des Hohlraumes
21: Längserstreckung
22: Oberfläche
30: Oberflächenstrukturierung
31: Formelement
32: konvexer Bereich
t: Tiefe des konvexen Bereiches
d: Durchmesser des konvexen Bereiches
a: Abstand der konvexen Bereiche
33: Erster Verschluss
34: Zweiter Verschluss
40: Einrichtung zur Realisierung eines Gas-Volumenstromes
41: Heizzone
42: Adiabate Zone
43: Kühlzone
44: Einrichtung zur Umlenkung
50: Tropfen
60: Mikrostruktur
61: Vorsprung
L: Länge des Vorsprunges
m: Dicke des Vorsprunges
lW: lichte Weite
70: Kondensationsfilm

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2350348 [0007]

Claims

Kondensationseinheit zur Kondensation eines gasförmigen Wärmeträgermediums (10), mit einem Hohlraum (20) zur Aufnahme des Wärmeträgermediums (10), wobei die Kondensationseinrichtung an wenigstens einer den Hohlraum (10) begrenzenden Oberfläche (22) zumindest bereichsweise eine Oberflächenstrukturierung (30) aufweist, und mit einer Einrichtung zur Realisierung eines Gas-Volumenstromes (40) des Wärmeträgermediums (10) entlang wenigstens eines Abschnittes der mit der Oberflächenstrukturierung (30) versehenen Oberfläche (22) zwecks Übertragung von Wärme vom Wärmeträgermedium (10) in die Oberfläche (22) und Kondensation des Gases, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung (30) mehrere Formelemente (31) umfasst, die sich in den Hohlraum (20) hinein erstrecken.
Kondensationseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (20) eine Längserstreckung (21) aufweist, von der wenigstens eine Richtungskomponente senkrecht verläuft.
Kondensationseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationseinheit eine Einrichtung zur Umlenkung (44) eines im Wesentlichen zentral im Hohlraum (20) parallel zur Längserstreckung (21) strömenden Gas-Volumenstromes des Wärmeträgermediums (10) innerhalb des Hohlraumes (20) umfasst, zur Realisierung des Gas-Volumenstromes des Wärmeträgermediums (10) entlang wenigstens eines Abschnittes der mit der Oberflächenstrukturierung (30) versehenen Oberfläche (22) zwecks Wärmeübertragung und Kondensation des Gases.
Kondensationseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formelement (31) der Oberflächenstrukturierung (30) ein konvexer Bereich (32) einer Rohrwandung ist.
Kondensationseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe t des konvexen Bereiches (32) in Bezug zur maximalen Weite W des Hohlraumes in Richtung der Tiefe des konvexen Bereiches (32) in folgendem Verhältnis steht: t = 0,07...0,1 W.
Kondensationseinheit nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe Bereich (32) im Wesentlichen die Form eines Kugelsegmentes oder eines an der Spitze abgerundeten Kegels aufweist, wobei der Durchmesser d der jeweiligen Grundfläche zur maximalen Weite W des Hohlraumes in Richtung der Tiefe des konvexen Bereiches (32) in folgendem Verhältnis steht: d = 0,2...0,5 W.
Kondensationseinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte konvexe Bereiche (32) einen Abstand a zueinander aufweisen, wobei der Abstand a zur maximalen Weite W des Hohlraumes in Richtung der Tiefe des konvexen Bereiches (32) in folgendem Verhältnis steht: a = 0,8...1,2 W.
Kondensationseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass die Formelemente (31) der Oberflächenstrukturierung (30) eine Mikrostruktur (60) ausbilden, wobei die Formelemente (31) als Vorsprünge (61) ausgebildet sind, die eine sich in den Hohlraum (20) erstreckende Längserstreckung (21) mit der Länge L haben, wobei die Länge L die Bedingung L ≤ 195 μm erfüllt.
Kondensationseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (61) im Wesentlichen stiftförmig ausgeführt sind und eine Dicke m zwischen 100 μm und 0,2 μm aufweisen.
Kondensationseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Vorsprünge (61) je Flächeneinheit in Abhängigkeit von der Dicke der stiftförmigen Vorsprünge (61) gestaltet ist und bei einer Dicke m der stiftförmigen Vorsprünge (61) zwischen 100 μm und 0,2 μm deren Anzahl zwischen 10²/cm² und 10⁸/cm² beträgt.
Kondensationseinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Weite lW zwischen den Vorsprüngen (61) zwischen 0,6 μm und 1000 μm beträgt.
Kondensationseinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (61) die Form einer zylindrischen Säule aufweist oder als Kegel, Kegelstumpf oder als mehrere, aufeinandergesetzte Kegelstümpfe ausgebildet ist.
Kondensationseinheit nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 12, dass die Oberflächenstrukturierung (30) in wenigstens einem Areal einander überdeckend einen konvexen Bereich (32) sowie Mikrostruktur (60) aufweist.
Kondensationseinheit nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 13, dass zusätzlich zu konvexen Bereichen 32 und/oder Vorsprüngen (61) weitere Formelemente (31) der Oberflächenstrukturierung eine Mikrostruktur ausbilden, die die Form von Poren aufweisen und eine sich zum Hohlraum (20) erstreckende Längserstreckung und eine lichte Weite haben, wobei die lichte Weite maximal 100 μm beträgt.
Verfahren zur Abkühlung eines Fluides und/ oder eines Gegenstandes, bei dem Wärme des Fluides und/ oder des Gegenstandes auf ein Wärmeträgermedium (10) in einer Kondensationseinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 übertragen wird, das Wärmeträgermedium (10) die Kondensationseinheit durchströmt, Wärme vom Wärmeträgermedium (10) wieder auf die Kondensationseinheit übertragen wird und von dieser an die Umgebung abgegeben wird.