DE2137227A1 - Warmetransportvornchtung - Google Patents

Warmetransportvornchtung

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DE2137227A1 DE19712137227 DE2137227A DE2137227A1 DE 2137227 A1 DE2137227 A1 DE 2137227A1 DE 19712137227 DE19712137227 DE 19712137227 DE 2137227 A DE2137227 A DE 2137227A DE 2137227 A1 DE2137227 A1 DE 2137227A1
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Description

Dr. Herbert Sefcolg 9 1 ^ 7 9 9 7
P.te.tanw.Il L ' ° ' LL '
r: H. Y. Philips' GIoeilampenfabrieken
AkJeNo... PHN- 5055 PEN.5055.
Anmeldune vom, 23. Juli 1971
"Wärmetransportvorrichtung"*
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmetransportvorrichtung mit einem geschlossenen Behälter mit einerseits mindestens einer ersten Wärmedurchgangswand und andererseits mindestens einer sich wenigstens im wesentlichen quer zur Wärmetransportlichtung erstreckenden und aine BehälterendflSche bildenden zweiten Wärmedurchgangswand, vrobei sich in dem Raum innerhalb des Behälters ein Wärmetransportmittel befindet? daa unter Uebergang aus der Flüssigkeitsphase in die Dampfphase durch die erste Wärmedurchgangswand hindurch Wärme aufnimmt und der zweiten Wärmedurchgangswand unter Uebergang aus der Dampfphase in die FlUssigkeitsphase Wärme abgibt, wobei weiter im Behältasraum ains die erste mit der zweiten Wärmedurchgangswand verbindende poröse Masse vorhanden ist und zwar derart, dass durch diese Masse hindurch an dar zwaiten Wfirmadurchgangewand kondensiertes Mittel durch Kapillarwirkung ersten Wärmedurchgangswand zurückströmen kann«
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Vorrichtungen der Art, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, aind aua den U.S. Patentschriften 3.229.759 und 3.402.767 bekannt, Mit derartigen Vorrichtungen lassen sich grosse Mengen Wärme nahezu ohne Temperaturabfall befördern ohne Verwendung einer Pumpvorrichtung und ohne weitere bewegliche Teile. Flüssiges Wärmetransportmittel, das bei der ersten Wärmedurchgangawand verdampft, bewegt sich in der Dampfphase zur zweiten Wärmedurchgangswand und zwar infolge dea dort herrschenden niedrigeren Dampfdruckes wegen der etwas niedrigeren Temperatur an dieser Stelle. Danach kondensiert der Dampf an der zweiten Wärmedurchgangswand unter Abgabe der Verdampfungswärme an dieser Wand, wonach das Kondensat über die poröse Masse durch Kapillarwirkung unter Anwendung der Oberflächenspannung des Kondensates zur ersten Wärmedurchgangawand zurückgeführt wird um dort aufs neue verdampft zu werden.
Die poröse Maase sorgt dafür, dass Kondensat unter allen Umständen von der zweiten zur ersten Wärmedurchgangswand zurückströmen kann also sogar entgegen der Schwerkraft oder ohne Schwer-. kraftwirkung. Im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung müssen unter porösen Massen nicht nur Massen verstanden werden, die aus beispielsweise keramischen Materialien, gesinterten Metallpulvern, aus Gazen aua draht- oder bandförmigem Material bestehen, sondern auch Anordnungen aus Röhrchen und Systeme von Rillen in der Wand des Behälters, gegebenenfalls zusammen mit einer der obengenannten Alternativen. Die die erste mit der zweiten Wärmedurchgangswand verbindende poröse Masse kann dabei die gansa Wandoberfläche oder nur einen Teil dieses Wandoberfläche bedecken.
Normalerweise ist der Raum innerhalb des Behälters evakuiert, damit der Verdampfungs-Kondensationsprozesa gut durchgeführt werden
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kann. Unter Umständen kann es jedoch passieren, dass gasförmige Verunreinigungen durch die Wand des Behälters hindurch in den Raum dieses Behälters diffundieren oder im Betrieb der Wärmetransportvorrichtung aus der Wand "bzw. porösen Masse frei werden. Diese gasförmigen Verunreinigungen werden beim Einschalten "bzw. im Betrieb der Wärmetransportvorrichtung in die Wärmetransportrichtung von der ersten zur zweiten Wärmedurchgangswand getrieben. Bei der sich quer zur Wärmetransportrichtung erstreckenden und als Kondensationsendwand dienenden zweiten Wärmedurchgangswand braucht dann nur eine verhältnismässig geringe Gasmenge angesammelt zu werden um die ganze Oberfläche der zweiten Wärmedurchgangswand zu bedecken» Namentlich bsi verhältniamässig langen Wärmetransportirorrichtungen mit grossen Oberflächen der Wände in der Längsrichtung und mit kleinen Oberflächen der Kondensationswand (der zweiten WMrmeäurchgangswand) in der Querrichtung hat sich schon bald eine Gasschicht an der zweitaa Wärmedurchgangswand gebildet*
Kondensation von dampfförmigen WErmetsansportmittaln an des zweiten Wärmedurchgangswand ist dann nicht länger möglich^ ao dass auch keine Wärme mehr durch die zweite Wärmedurchgangswand hinduroh der Vorrichtung entnommen werden kann und die Vorrichtung daher nicht länger brauchbar ist.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nunf eine Lösung des obengenannten Problems zu schaffen» Dazu weist die erfindungsgemässe Wärmetransportvorrichtung das Kennzeichen auf, dass der Bahälter mit einem Speicherbehälter für gasförmige Verunreinigungen versehen ist, welcher Speicherbehälter mit dem Behälterraum in offener Verbindung steht und sich in der unmittelbaran Nähe der zwaiten Wärmedur chgangawand an den genannten Raum derart anschliessts dass im
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Betrieb der Vorrichtung im Behälter vorhandene gasformige Verunreinigungen in den Speicherbehälter getrieben werden, wobei der Speicherbehälter mit einer weiteren porösen Masse derart versehen ist, dass durch diese weitere Masse hindurch in den Speicherbehälter geratenes flössiges Wärme transportmittel durch Kapillarwirkung zum Behälterraum zurückfliessen kann.
Auf diese Weise ist erreicht, dass die gasformigen Verunreinigungen nicht länger eine Hemmung für die Kondensation des dampfförmigen Wärme-transportmittels an der zweiten Wärmedurchgangswand bilden, während unter allen Umständen gewährleistet ist, dass flössiges Wärmatransportmittel, das entweder durch Schwerkraftwirkung oder durch Kondensation im Speicherbehälter in diesen letzteren Behälter geraten ist, wieder in den Behälterraum zurückgeführt wird um dort aufs neue am Verdampfungs-Kondensationsprozess teilzunehmen.
Es sei bemerkt, daaa aus "Mechanical Engineering" November 19^8 Seiten 48-55 "Applications of the heatpipe" aus Fig. 10 eine Wärmetransportvorrichtung bekannt ist, wobei an die an der Kondensationaaeite liegende Endfläche der Vorrichtung ein Gasbehälter angeschlossen ist, in 'dem sich ein nioht kondensierbarea Gas befindet. Es handelt sich dabei jedoch um die Regelung der wärmedurchlässigen Oberfläche einer Kondensationswand, die sich nicht in der Querrichtung sondern in der axialen Richtung, d.h., der Wärmetransportrichtung erstreckt. Bei Wärmetranaportvorrichtungen jedoch, bei denen die zweite Wärmedurchgänge wand (Kondensationawand) sich in der Wärmetranaportrichtung erstreckt, tritt das Problem der Sperrung dieser Wand durch gasförmige Verunreinigungen kaum auf. Denn zunächst wird die quer angeordnete Endfläche der Vorrichtung mit einer Gasachicht bedeokt, wobei die geringe Dicke dieser Gasschicht für den nur aehr geringen
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Teil der Kondensationswand, der durch diese Gasschioht bedeckt wird, "bestimmend ist.
Ein Speicherbehälter for gasförmige Verunreinigungen ist dahar bei Wärmetransportvorrichtungen, bei denen sich die zweite Wärmedurchgangswand in axialer Richtung (in der Wärmetransportrichtung) erstreckt, meistens nicht notwendig.
Bei der bekannten Vorrichtung mit einem Gasbehälter sind folglich keine Mittel vorhanden, die bewerkstelligen, daaa, wann flüssiges Wärmetransportmittel in den Gasbehälter gerät, entweder unter dem Einfluss der Schwerkraft oder durch Kondensation an einer Wand dieses Behälters dieses Mittel unter allen Umständen wieder zu dem Raum zurückgeführt wird, wo sich der Verdampfung-Kondensationsprosaas vollzieht, Schwierigkeiten, die dadurch entstehen können^ sind u.a, zur Trockne Sieden mit der Folge einer Ueberhitzung dar ersten Wärmadurchgangswand und eines verringerten WarmstranSportes.
Ausserdem muss bei der bekannten Wärmetransportvorrichtung mit einem Gasbehälter dieser Behälter sehr gross bemessen sein, damit ein ausreichend grosser Regelbereich für das Regelgas, entsprechend der vollständigen Oberfläche der Kondensationswand erhalten wird. Dagegen kann der Speicherbehälter bei dar srfindungsgamässan Vlrmatransportvorrichtung geringe Abmessungen aufweisen.
Zum Schluss ist man bei der bekannten Vorrichtung mit dem Gasbehälter sowohl durch die verhältnismässig gsossen Abmessungen dies3s Behälters als auch infolge der Regelung in dar Anordnung das Gasbehälters luassrst beschränkt0 Obschon bei der a 2 firs d rags ga mis as η Vorrichtung dar Speicherbehälter nicht an die Eadfläshe quos sue Wörmstsansportrichtung angeschlossen wiud (vie dias "bei das bokanntan Vorrichtung für den Gasbehälter d@r Fall ist), wall einerseits
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das Entnehmen von Wärme an der Endfläche-Kondensationswand dann lästig wird und zwar wegen der schwierigen Erreichbarkeit dieser Wand und andererseits weil dieser Anschluss auf Kosten eines Teils der wärmedurchlässigen Oberfläche geht., gibt es im vorliegenden Fall dennoch eine grössere Freiheit in der Anordnung des Speicherbehälters. Wegen der geringen Abmessungen des Speicherbehälters kann dieser auch leicht innerhalb des Behälters angeordnet werden.
Bei einer günstigen Ausführungaform der erfindungsgemässen Wärmetransportvorrichtung ist an den Speicherbehälter eine Abfuhr für gasförmige Verunreinigungen angeschlossen. Dies ist vorteilhaft in denjenigen Fällen, wo die Gefahr besteht, dass die Menge gasförmiger Verunreinigungen im Behälter in einem bestimmten Augenblick die Speicherkapazität dea Speicherbehälters überschreitet.
Die gasförmigen Verunreinigungen lassen sich nun leicht aus dem Speicherbehälter entfernen ohne dass der Behälter selbst geöffnet zu werden braucht mit allen damit einhergehenden Schwierigkeiten (Absaugen des Wärmetransportmitteldampfes zusammen mit den gasförmigen Verunreinigungen).
Nach der Erfindung ist bei einer günstigen Ausführungsform der WMrmetransportvorrichtung der Speicherbehälter durch einen wenigstens im wesentlichen im Behälterraum liegenden und auf beiden Enden offenen rohrförmigen Körper gebildet, wobei das eine Ende mit dar Oeffnung zur zweiten Wärmedurchgangswand gerichtet ist und das andere als Abfuhr wirksame Ende durch eine Behälterwand hindurch hinausgeführt ist, wo dieses Ende mit einem Hahn versehen ist.
Auaser einer verhältnismäasig einfachen Konstruktion gibt es hierbei zugleich die Vorteile eines gedrängten Vorrichtung und einer leichten Zugänglichkeit der zweiten Wärmedurchgangswand, was insbesondere
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■beim Einbauen eine wichtige Rolle spielt.
Au3führung3"beispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 und 2 Wärmetransportvorrichtungen, bei denen der Speicherbehälter ausserhalb des Behälters angeordnet ist,
Fig. 3 eine Wärmetransportvorrichtung, wobei der Speicherbehälter einen Teil des Behälters umgibt und mit einer Abfuhr für gasförmige Verunreinigungen versehen ist,
Fig. 4» 5 und 6 WSrmetransportvorrichtungen, bei denen der Speicherbehälter innerhalb des Behälters angeordnet ist, örtlich durch eine Behälterwand hinausgeführt und dort mit einem Hahn versehen ist. Die Wärmetransportvorrichtung nach Fig. 6 enthält dabei zwei zweite Wärmedurchgangswände.
In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Behälter mit einem Behälterraum 2 angedeutet. Der Behälter 1 hat eine erste Wärmedurcbgangswand 3 und eine zweite Wärmedurchgangswand 4° In der unmittelbaren Nähe des zweiten Wärmedurchgangswand 4 schliasst sich an den Behälterraum 2 ein Speicherbehälter 5 &n, der mit dem genannten Behälterraum 2 in offener Verbindung steht. Die Innenwand des Behälters 1 sowie die des Speicherbehälter 5 ist mit einer porösen Masse 6 verkleidet, die eine Kapillarstruktur aufweist. Der Behälter ist teilweise mit einem geeignet gewählten Wärmetransportmittel, beispielsweise Natrium, gefüllt und ist zum übrigen, ebenso wie der Speicherraum 5 möglichst gut evakuiert. Das Füllen mit Wärmetransportmittel und das Evakuieren erfolgt über eine Leitung 7» in die eine Absperrvorrichtung 8 aufgenommen ist.
Die Wirkungsweise der Wärmatransportvorrichtung ist wie folgt.
Im Betrieb nimmt flüssiges Natrium duroh eine erste Wärme-
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durchgangswand 3 hinduroh Wärme aus einer nicht näher angedeuteten Wärmequelle auf, wodurch dieses Natrium verdampft. Der Dampf strömt danach durch den Raum 2 zur zweiten Wärmedurchgangswand 4 und zwar infolge des niedrigeren Dampfdrucks an dieser Stelle wegen der etwas geringeren Temperatur und kondensiert an dieser Wand unter Abgabe der bei der ersten Wärmedurchgangswand 3 aufgenommenen Verdampfungswärme. Das Kondensat strömt durch die im Behälter 1 befindliche poröse Masse 6 durch Kapillarwirkung unter Anwendung der Oberflächenspannung des Kondensates zur ersten Wärmedurchgangswand 3 zurück um dort aufs neue verdampft zu werden. Die Rückfuhr des Kondensates erfolgt ungeachtet der Lage des Behälters, also sogar entgegen der Schwerkraft oder ohne Schwerkraftwirkunge Etwaiges in den Speicherbehälter 5 geratenes Kondensat bzw. darin kondensiertes Natrium strömt ebenfalls wieder zur ersten Wärmedurchgangswand 3 zurück, da die Innenwand des Speicherbehälter ebenfalls mit poröser Masse 6 bedeckt ist, die sich an die poröse Masse 6 innerhalb des Behälters anschliesst.
Durch die Wände des Behälters 1 hindurch nach aussen diffun-
W dierte-bzw. im Betrieb aus diesen Wänden oder aus der porösen Masse im Behälter 1 freigewordene gasförmige Verunreinigungen strömen ebenfalls unter dem Einfluss des Druckunterschiedes zwischen der ersten und der zweiten Wärmedurchgangswand zusammen mit dem Natriumdampf in Richtung der zweiten Wärmedurchgangswand 4. An der Stelle dieser Wand werden diese gasförmigen Verunreinigungen in den Speicherbehälter 5 getrieben und bleiben dort angesammelt. Die gasförmigen Verunreinigungen können auf dieae Weise nicht die zweite Wttrmedurchgangswand 4 bedecken und die Kondensation von Natriumdampf an dieser Wand hemmen. Die ganze Oberfläche der zweiten Wärmedurch-
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gangawand 4 iat dadurch zur Kondensation verfügbar, so dass die ganze über die erste Wärmedurchgangswand 3 zugeführte Wärme der zweiten Wärmedurchgangswand 4 wieder entnommen werden kann.
In den Fig. 2 bis 6 sind entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen wie in Pig. 1 angedeutet.
Die Wärmetransportvorrichtung nach Fig. 2 ist der nach Fig. fast identisch. Nur der Speicherbehälter 5 ist hier etwas anders ausgebildet. Da die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ebenso wie die der Vorrichtungen nach den Fig. 2 bis 5 dieselbe ist wie die nach Fig. 1, wird eine Beschreibung derselben hier fortgelassen.
Bei den Wärmetransportvorrichtungen nach Fig. 1 und 2 kb'nnen die gasförmigen Verunreinigungen, die im Speicherbehälter 5 angesammelt sind, nur über die Leitung 7 aus diesem Behälter entfernt werden, welche Leitung zum Füllen mit WHrmetransportmittel und zum Evakuieren des Behälters 1 verwendet wird. Eine Entfernung der gasförmigen Verunreinigungen ist selbstverständlich notwendig, wenn der Speicherbehälter überfüllt zu geraten droht. Dieses Entfernen über die Leitung 7 ist jedoch nicht immer interessant. Einerseits kann es durch Pumpverluste wegen Strömungawiderständan schwierig sein, den Speicherbehälter 5 völlig zu evakuieren, andererseits besteht die Gefahr, dass der Wärmetransportmitteldampf unnötig mitgesaugt wird. Dieser Nachteil ist bei der Wärmetranapostvorrichtung nach Fig. 3 nicht vorhandenf wobei an den Speicherbehälter eine Abfuhr 9 für gasförmige Verunreinigungen angeschlossen ist, die mittela einer Absperrvorrichtung 10 freigegeben bzw. g0Öffnet werden kann. Der Speicherbehälter 5 ist hier waiter derart ausgebildet, dass er einen Teil des Behälters 1 vollständig umgibt.
In Fig. 4 ist eine Wäimetransportvorrichtung dargestellt,
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bei der der Speicherbehälter 5 aua einem im Behälter 1 angeordneten und auf beiden Seiten geöffneten gebogenen hohlen Rohr besteht. Das eine offene Ende liegt in der unmittelbaren Nähe der zweiten Wärmedurchgangswand dieser Wand gegenüber, während das andere Ende durch eine Behälterwand hinausgeführt ist und als Abfuhr 9 mit dem Absperrelement 10 wirksam iat. Bas Rohr ist an der Innenseite mit poröser Masse 6 verkleidet, die örtlich mit der auf der zweiten Wärmedurchgangswand 4 befindlichen porösen Masse 6 verbunden ist,
k so dass flüssiges Natrium durch Kapillarwirkung aus dem Raum innerhalb des Rohres zur porösen Masse 6 auf den Behälterwänden und über die letztgenannte Masse zur ersten Wärmedurchgangswand 3 zurückströmen kann.
Fig. 5 zeigt eine Wärmetransportvorrichtung, die in grossen Zügen der nach Fig. 4 entspricht. Der Speicherbehälter 5 ist hier ein gerades Rohr, das durch die gegenüber der zweiten Wärmedurchgangswand 4 liegende Behälterwand hinausgeführt ist. Dies ist hier leicht, weil im Gegensatz zu Fig. 4» die erste Wärmedurchgangswand J sich im vorliegenden Fall parallel zur Wärmetransportrichtung, d.h. der axialen
* Richtung, erstreckt, Das Rohr ist dabei auch an seiner Aus3enseite mit poröser Masse verkleidet, welche Masse sieh an die poröse Masse auf den Behälterwänden anschliesst. Die Wärmetransportvorrichtung nach Fig. 6 weist auf beiden Seiten eine zweite Wärmedurchgangswand auf. Der Speicherbehälter 5 besteht auch hier aus einem geraden Rohr, das innerhalb des Behälters 1 angeordnet ist. Jedes der beiden offenen Rohrenden liegt nun einer zweiten Wärmedurchgangawand 4 gegenüber und in dar unmittelbaran Nähe desselben. An das Rohr schliesst sich die durch eine Behälterwand hinausgeführte Abfuhr 9 an, in die das Absperrelement 10 aufgenommen ist,
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Die Wirkungsweise dieser Transportvorrichtung weicht insofern von der der obenbeachriebenen Vorrichtung afc, dass im vorliegenden Fall Wärme durch die in der Mitte liegende erste Wärmedurchgangswand 3 hindurch dem Natrium im Behälter 1 zugeführt wird, wodurch dieses verdampft und wobei nun Natriumdampf sowohl nach links als auch nach rechts zu den "beiden zweiten Wärmedurchgangswänden 4 strömt und zwar infolge des niedrigeren Dampfdruckes wegen der bei diesen Wänden herrschenden etwas niedrigeren Temperatur. An den fceiden Wänden kondensiert der Natriumdampf unter Afcgafce der Verdampfungswärme, wonach die fceiden Kondensate durch die poröse Masse 6 an den Wänden des Behälters 1 zurückströmen zur ersten Wärmedurchgangswand Bei den fceiden zweiten Wärmedurchgangawänden 4 werden gaaförmige Verunreinigungen in denselben rohrförmigen Speicherfcehälter 5 getriefcen und dort gespeichert, weiche Verunreinigungen zu gelegener Zeit öfcer die Afcfuhr 9 entfernt werden können. Auch hier sind die Innen- sowie Aussenwände des Speicherbehälter 5 mit poröser Masse 6 verkleidet, die sich an die poröse Masse 6 auf den Wänden des Behälters 1 anschliesst, so dass unter allen Umständen wieder gewährleistet ist, dass kein Kondensat im Speicherfcehälter zurückfcleifct.
Mit dieser Konstruktion ist erreicht, dass die fceiden zweiten Wärmedurchgangswände 4 nicht durch Gasschichten, welche die Kondensation des Wärmetransportmitteldampfes an diesen Wänden verhindern, bedeckt sind, wodurch das Entnehmen der Wärme an den genannten Wänden nicht länger möglich wäre.
Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfindung ausser den dargestellten Ausführungsformeη andere Konstruktionen der Wärmetransportvorrichtung möglich.
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Claims (3)

PATENTANS PRUE CHE:
1.) Wärmetransportvorrichtung mit einem geschlossenen Behälter mit einerseits mindestens einer ersten Wärmedurchgangswand und andererseits mindestens einer sich wenigstens im wesentlichen quer zur Wärmetransportrichtung erstreckenden und eine Behälterendfläche bildenden zweiten Wärmedurchgangswand, wobei sich im Raum innerhalb des Behälters ein Wärmetransportmittel befindet, das unter Uebergang aus der Flüssigkeitsphase in die Dampfphase durch die erste Wärmedurchgangswand hindurch Wärme aufnimmt und der zweiten Wärmedurchgangswand unter Uebergang aus der Dampfphase in die Flussigkeitsphase Wärme abgibt, wobei weiter im Behälterraum eine die erste mit der zweiten Wärmedurchgangswand verbindende poröse Masse vorhanden ist, derart, dass durch diese Masse hindurch an der zweiten Wärmedurchgangswand kondensiertes Mittel durch Kapillarwirkung zur ersten Wärmedurchgangswand zurückströmen kann, dadurch gekennzeichnet,dasa der Behälter mit einem Speicherbehälter für gasförmige Verunreinigungen versehen ist, der mit dem Behälterraum in offener Verbindung steht und in unmittelbarer Nähe der zweiten Wärmedurchgangswand sieb an den genannten Raum anschliesst und zwar derart, dass im Betrieb der Vorrichtung im Behälter vorhandene gasförmige Verunreinigungen in den Speicherbehälter getrieben werden, wobei der Speicherbehälter mit einer weiteren porösen Masse derart versehen ist, dass durch diese weitere Masse hinduroh in den Speicherbehälter geratenes flüssiges Wärmetransportmittel durch Kapillarwirkung zum Behälterraum zurückströmen kann.
2. Wärmetransportvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Speicherbehälter eine Abfuhr für gasförmige
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Verunreinigungen anschlieaat.
3. Wärmetransportvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter durch einen wenigstens im wesentlichen im Behälterraum liegenden und auf beiden Enden offenen · rohrförmigen Körper gebildet ist, wobei das eine Ende mit der Oeffnung zur zweiten Wärmedurchgangswand gerichtet ist und das andere als Abfuhr dienende Ende durch eine Behälterwand hindurch hinausgeführt und dort mit einem Absperrelement versehen ist.
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