DE2161506A1

DE2161506A1 - Waermerohr

Info

Publication number: DE2161506A1
Application number: DE19712161506
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Phys Reiss
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1971-12-10
Filing date: 1971-12-10
Publication date: 1973-06-14

Description

GESELLSCHAFT FÜR Karlsruhe, den 1. Dezember 1971

KERNFORSCHUNG MBH PLA 71/56 Ga/sz

Wärmeroh r

Die Erfindung betrifft ein Wärmerohr mit einem Verdampfer für ein Treibmittel, das als Dampfstrom vom Verdampfer zu kälteren Teilen des Wärmerohres strömt, und einer für eine Rückströmung des Kondensates des Treibmittels zum Verdampfer geeigneten Innenwand..

Ein Wärmerohr ist eine kontinuierlich arbeitende Wärmetransporteinrichtung mit einem allseitig geschlossenen Arbeitsgefäß, in dem als Wärmeübertragungsmedium eine kleine Menge überall an den Wänden verteilter Flüssigkeit eingeschlossen ist. Befindet sich die Wand des Wärmerohres nicht an allen Stellen auf gleicher Temperatur, so wird an den heißeren Wandteilen Flüssigkeit verdampfen, wobei der Wand die Verdampfungsenthalpie entzogen wird; wegen des Dampfdruckunterschiedes strömt der Dampf zu den kälteren Wandteilen und kondensiert dort unter Abgabe seiner Verdampfungsenthalpie. Für das Wärmerohr ist kennzeichnend, daß der Rücktransport des Kondensats zum Verdampfer durch Oberflächenkräfte auch gegen äußere Massen-und Be-

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schleunigungskräfte erfolgt. Das Wärmerohr ist innerhalb seines im wesentlichen vom Dampfdruck der Arbeitsflüssigkeit bestimmten Arbeitsbereichs auf seiner ganzen Oberfläche nahezu isotherm. Die Isothermie ist um so besser, je weniger Wärme transportiert werden muß.

In einem in Betrieb befindlichen Wärmerohr haben der Dampf des Treibmittels und das zum Verdampfer zurückströmende Kondensat entgegengesetzte Strömungsrichtungen. Das führt an der Phasengrenzfläche Flüssigkeit-Dampf zu Scherkräften, die auf beide Medien bremsend wirken. Die übertragbare Wärmeleistung von Wärmerohren ist bei den üblichen langen rohrförmigen Anordnungen im wesentlichen durch den Flüssigkeitsrückstrom bestimmt. Eine Behinderung des Flüssigkeitsstromes schlägt daher direkt auf die vom Wärmerohr übertragene Leistung durch. Die Behinderung des Kondensatrückstromes kann bis zu dessen völligem Stillstand gehen und führt dann bei weiterlaufender Wärmequelle zu instabilen Betriebszuständen. So ist es z.B. der Fall (Wärme- und Stoffübertragung Bd 2 (1969), S-. 222 - 239), daß sich die Wärmeleistung eines Natriumwärmerohres von 1 m Länge und 20 mm Durchmesser bei ca. 800 C infolge der Dampf- Flüssigkeitswechselwirkung um 30 % vermindert.

Es ist bekannt zu versuchen, die Einwirkung des Dampfstromes auf den Kondensatrückstrom zu verhindern, indem zwar das Gegenstromprinzip beibehalten wird, aber die Flüssigkeitskanäle durch engk maschige Netze abzudecken bzw. in einem Arterienwärmerohr die Flüs- * sigkeitskanäle zu einem einzigen aus Netz gebildeten Rohr zusammenzufassen. Damit könnte im obengenannten Beispiel die Leistung gegenüber der nicht abgedeckten Anordnung um bestenfalls 30 % erhöht werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, ein Wärmerohr zu schaffen, bei dem durch Umlenkung der Dampfströmung vor dem Auftreffen auf die Flüssigkeitsoberfläche gleiche Strömungsrichtungen hergestellt und die Einwirkung des Dampfstromes auf die Flüssigkeit zur Unterstützung des Kondensatrückstromes herangezogen wird.

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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß der Innenraum des Wärmerohres neben dem Verdampfer eine erste Zone für den Dampfstrom aufweist, der der Hauptrichtung des Rückstromes des Kondensates entgegengerichtet ist und daß der Innenraum in eine weitere Zone aufgeteilt ist, in der mindestens ein Teil des Dampfstromes umlenkbar und gleichgerichtet im Kontakt mit dem Rückstrom des Kondensates geführt ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Wärmerohres gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone von einem Zentralkanal und/oder Trichtern gebildet ist, der und/oder die sich an den Verdampfer anschließen und hintereinander mindestens über einen Teil der Länge des Wärmerohres ausgedehnt sind, daß der Dampfstrom von der Endwandung des Wärmerohres umlenkbar oder Teile des Dampfstromes von den Außenwandungen der Trichter vom gesamten Dampfstrom ausblendbar und umlenkbar sind und daß die weitere Zone vom Raum zwischen den Außenwandungen des Zentralkanals und/oder der Trichter und der Wand des Wärmerohres gebildet ist, wobei dieser Raum mit dem Verdampfer über Öffnungen in Verbindung steht*

Die Umlenkung des Dampfstromes bis zur Herstellung einer dem Flüssigkeitsstrom bzw. dem Rückstrom des Kondensates in etwa gleichgerichteten DampfStrömung bedingt einen längeren Strömungsweg des Dampfes und daher bei unverändertem Durchsatz einen gegenüber der nicht umgelenkten Anordnung erhöhten Druckverlust für den Dampfstrom, u.U. bis auf den 8-fachen Wert bei laminarer Strömung. Da die Dampfströmung im normalen Wärmerohr nur einen kleinen Bruchteil des gesamten zur Verfügung stehenden Druckgefälles verbraucht, kann zumindest näherungsweise angenommen werden, daß die für den Flüssigkeitsstrom zur Verfügung stehende Druckdifferenz erhalten bleibt. Bei Unterstützung, der Flüssigkeitsströmung durch den Dampf kann demnach eine deutliche Steigerung der Wärmeleistung gegenüber der abgedeckten und der nicht abgedeckten GegenStromanordnung erlangt werden. Zur Erzielung einer großen Schiebewirkung des Dampfes auf die Flüssigkeit werden die Flüssigkeitskanäle bei der Gleichstromanordnung nicht abgedeckt.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mittels der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem in das Wärmerohr 1 koaxial ein im wesentlichen rohrförmiger Zentralkanal 2 bzw. Umlenkrohr eingebaut ist. Das Wärmerohr 1 besteht ebenfalls aus einem Hohlzylinder, der zwei Abschlußwände 3 und 4 besitzt, wovon die Abschlußwand 4 als Prall- oder Umlenkplatte dienen kann. Die der Abschlußwand 3 zugewandte Zone des Wärmerohres 1 bildet den Verdampfer 5. Dieser Teil liegt auf einer etwas höheren Temperatur als der übrige Teil des Wärmerohres 1. In ihm ist eine Flüssigkeit enthalten, z.B. flüssiges Natrium oder Wasser, welches durch die Erwärmung verdampft und einen Dampfstrom 6 bildet, der durch den Zen-P tralkanal 2 (Zone 18) geführt und von der Prallplatte 4 umgelenkt wird. Der umgelenkte Dampfstrom 6 strömt entgegen der Dampfströmungsrichtung im Zentralkanal 2 in einem Zwischenraum 7 zwischen der Außenwandung des Zentralkanals 2 und der Wandung 16 des Wärmerohres 1 entgegen der Strömungsrichtung des Dampfstromes 6 zum Verdampfer 5 zurück. Der Zwischenraum 7 hat einen ringförmigen Querschnitt.

Das Zentralrohr 2 ist über einen Flansch 8 mit der Wandung 16 des Wärmerohres 1 verbunden. An der der Wärmerohrwand 16 zugewendeten Umrandung des Flansches 8 befinden sich dicht an der Wärmerohrwand 16 kleine Öffnungen bzw. Schlitze 9 von der Größenordnung 1/1000 des Querschnitts des Zentralkanales 2. Die Schlitze 9 sind derart W anzuordnen, daß kein Dampf vom Verdampfer 5 durch sie in den Zwischenraum 7 eindringt.

Die Wandung 16 des Wärmerohres 1 im Anschluß an den Verdampfer 5 bildet einen Teil des Kondensators 10 des Wärmerohres 1. Die Oberfläche der Wandung lf> muß dabei derart beschaffen sein, z.B. mit einem Rillenkapil larbelag versehen sein, dal? das Kondensat des Dampfstromes 6 aufgrund von Kapillarkräften oder Adhäsionskräften zum Verdampfer 5 hin- bzw. rückströmen kann. Dieses Kondensat bzw. der Rückstrom des Kondensates wird unterstützt durch den rückläufigen Dampfstrom im Zwischenraum 7 (Teilpfeile sind eingezeichnet).

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Der im Verdampfer 5 demnach erzeugte Dampfstrom 6 strömt in diese Anordnung durch eine erste Zone, die vom Zentralkanal 2 gebildet ist, bis an das Kondensatorende bzw. die Prall- oder Umlenkplatte 4 des Wärmerohres 1, wird dort umgelenkt und strömt dann in einer weiteren Zone, die von dem Zwischenraum 7 gebildet ist, im wesentlichen parallel zu dem zum Verdampfer 5 zurückfließenden Kondensat. Der Strömungsweg des Dampfstromes 6 ist hier gegenüber der nicht umgelenkten Anordnung etwa verdoppelt, der Strömungsquerschnitt jedoch halbiert, was bei festgehaltenem Durchsatz überschlägig den i-fachen Druckabfall des Dampfes gegenüber der „nicht umgelenkten Anordnung bedingt.

In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei für sich entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet werden. Das Wärmerohr 1 ist wiederum unterteilt in den Verdampfer 5 und in eine erste Zone, die von den Hälsen 11 der Trichter 12 gebildet wird. Diese Trichter 12 sind an der Wandung des W?.rmerohres 1 gehaltert und weisen wiederum Schlitze 9 auf, die den Durchtritt des Rückstromes des Kondensats an der Innenwandung 16 zum Verdampfer 5 hin gestatten. Die Trichter 12 sind derart hintereinander angeordnet, daß vom Dampfstrom 6 Teilströme 13 ausgeblendet werden und von den Außenwandungen 14 bzw. der Innenwandung 16 des Wärmerohres 1 umgelenkt werden. Diese umgelenkten Teilströme 13 unterstützen wiederum den Rückstrom des Kondensats an der Innenwandung 16 des Wärmerohres 1. Der Zwischenraum zwischen den Außenwandungen 14 der Trichter 12 und der Wandung 16' des Wärmerohres 1 bildet wiederum die weitere Zone, die in etwa dem Zwischenraum 7 im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 entspricht.

Die Trichter 12 können durch nicht dargestellte Streben, Stützen oder ähnliches untereinander und gegenüber dem Wärmerohr 1 fixiert werden. Die Aufhängungen haben neben dem Eigengewicht der Le'itbleche auch die bei der Umlenkung des Dampfstromes 6 entstehenden Reaktionskräfte aufzunehmen.

Figur 3 zeigt eine Kombination der Anordnungen nach Figur 1 und 2, wobei das Gleichstromprinzip nur im verdampfernahen Teil des Wärmerohres 1 angewendet wird. Die Bezugszeichen für sich entsprechende

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Teile sind die gleichen wie in Figur 1 und 2. Dem Verdampfer 5 folgt ein gegenüber dem Zentralkanal 2 nach Figur 1 verkürzter Zen-. tralkanal 15 für den Dampfstrom 6. Ihm schließen sich z.B. zwei Trichter 12 gemäß den Trichtern nach Figur 2 an. Die erste Zone für den Dampfstrom 6 wird vom Innenraum des Zentralkanals 15 und den Hälsen 11 der Trichter 12 gebildet, während der Zwischenraum 7 zwischen Außenwanduhg 17 des Zentralkanals 15 und der Innenwandung 16 des Wärmerohres 1 bzw. den Außenwandungen 14 der Trichter 12 und dem Wärmerohr 1 als weitere Zone für den Rückstrom des Dampfes bzw. den Rückstrom des Kondensates dient. Vom Dampfstrom 6 werden dabei durch Spalte zwischen den Trichtern 12 bzw. zwischen dem dem Zentralkanal 15 folgenden Trichter 12 und dem Zentralkanal 15 Teilströme 13 ausgeblendet und umgelenkt. Für den Rückstrom des Kondensats sind wiederum Schlitze 9 vorgesehen.

Claims

GESELLSCHAFT FÜR Karlsruhe, den 1. Dezember 1971

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Patentansprüche:

I1.Wärmerohr mit einem Verdampfer für ein Treibmittel, das als Dampfstrom vom Verdampfer zu kälteren Teilen des Warmerohres strömt, und einer für eine Rückströmung des Kondensates des Treibmittels zum Verdampfer geeigneten Innenwand, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Wärmerohres (1) neben dem Verdampfer (5) eine erste Zone (11, 18) für den Dampfstrom (6) aufweist, der der Hauptrichtung des Rückstromes des Kondensats entgegengerichtet ist, und daß der Innenraum in eine weitere Zone

(7) aufgeteilt ist, in der mindestens ein Teil des Dampfstromes (6) umgelenkt und gleichgerichtet im Kontakt mit dem Rückstrom

des Kondensates geführt ist. f

2. Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone von einem Zentralkanal (2, 15) und/oder Trichtern (12) gebildet ist, der und/oder die sich an den Verdampfer (5) anschliessen und hintereinander mindestens über einen Teil der Länge des Wärmerohres (1) ausgedehnt sind, daß der Dampfstrom (6) von der Endwandung (4) des Wärmerohres (1) umlenkbar oder Teile (13) des Dampfstromes (6) von den Außenwandungen (14) der Trichter (12) vom gesamten Dampfstrom (6) ausblendbar und umlenkbar sind, und daß die weitere Zone (7) vom Zwischenraum zwischen den Außenwandungen (14, 17) des Zentralkanals (2, 15) und/oder der Trichter (12) und der Wandung (16) des Wärmerohres (1) gebildet ist, wobei dieser Raum mit dem Verdampfer (5) über Öffnungen (9) in Verbindung steht.

3. Wärmerohr nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkanal (2, 15) an einem Ende über einen Flansch (8) an der Wandung (16) des Wärmerohre.'.· (1) gehaltert ist, wobei der Flansch

(8) Schlitze (9) an seiner der Wandung (16) des Wärmerohres (1) zugewandten Außenumrandung aufweist.

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4. Wärmerohr nach Anspruch 1 und I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Trichter (12) an der Wandung (16) des Wärmerohres (1) gehaltert sind und Schlitze (9) an der der Wandung (16) zugewandten Außenumrandung aufweisen.

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