DE2338660B2 - Wärmerohr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmerohr gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus der US-PS 37 34 173 ist bereits ein Wärmerohr mit über den Innenumfang angeordneten Kapillarnuten bekannt, die an vier Stellen ihres Umfangs durch in Axialrichtung verlaufende Längsnuten unterbrochen sind. In diese Unterbrechungen der Kapillarnuten sind Kapillarnetze für den Transport des Arbeitsmittels eingelegt. Das bekannte Wärmerohr wird in senkrechter Anordnung betrieben, wobei das Arbeitsmit'el senkrecht einerseits von der Bodenplatte der Heizzone nach oben zu einer Kühlzone befördert und andererseits über die Umfangskapillarnuten und über die Kapillarnetze sowie über im Bodenbereich angeordnete Kapillarrohre wieder senkrecht zur Heizzone zurückbefördert wird. In waagerechter Anordnung ist dieses bekannte Wärmerohr nur schlecht arbeitsfähig.

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein Wärmerohr gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs zu schaffen, bei dem die Wärmeübertragungsverhältnisse durch Vergrößerung der Grenzschicht zwischen der flüssigen Phase und der dampfförmigen Phase gegenüber dem Stand der Technik verbessert sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen.

Dadurch wird erreicht, daß in den Kapillarruten ständig Flüssigkeit bis über den Flüssigkeitsspiegel des Arbeitsfluids in der Heizzone hochgehoben und damit die Grenzschicht zwischen der flüssigen Phase und der dampfförmigen Phase vergrößert wird, so daß eine bessere Wärmeübertragung gegeben ist.

Die annähernd waagerechte Anordnung des Wärmerohres mit in der Heizzone auf einer Höhe von weniger als dem horizontalen Durchmesser des Wärmerohres stehendem Flüssigkeitsspiegel ist aus der GB-PS 2.1 272 bereits bekannt.

Aus den US-PS 35 28 494 und 34 96 752 sind ferner bereits Wärmerohre mit Kapillarnuten bekannt, deren öffnung schmaler als deren tiefer liegende Böden sind. Bei der US-PS 35 28 494 verlaufen die Kapillarnuten in Längsrichtung des Wärmerohrs, wogegen die US-PS 34 96 752 lediglich die Art der Herstellung der Kapillarnuten beschreibt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren ίο näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Anlage zur Rückgewinnung von Wärmeenergie aus Austrittsluft, bei der eine Anzahl von Wärmerohren benutzt wird,

Fig.2 einen in der Mitte unterbrochenen Längs-ί schnitt durch ein einzelnes Wärmerohr,

Fig.3 in perspektivischer Darstellung Einzelheiten des Aufbaus des Wärmerohrs gemäß F i g. 2,

F i g. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 aus F i g. 2,

Fig.5 vergrößert einen Teilschnitt durch eine Querschnittsform der Kapillarnuten des Wärmerohrs gemäß Fig. 2.

Eine Anlage i0 zur Rückgewinnung von Wärmeenergie (Fig. 1) hat eine große Anzahl von in zwei Richtungen arbeitenden Wärmerohren 20, die entsprechend F i g. 2 aufgebaut sind. Die Wärmerohre 20 in der Anlage 10 sind horizontal sowohl im Durchlaß 12 für die eintretende als auch im Durchlaß 14 für die austretende Luft angeordnet, die in ein Gebäude d. h. einen Raum 16 hineingesaugt bzw. herausgepumpt wird, wobei die Luft in Abhängigkeit von der Jahreszeit mit der Klimaanlage

15 entweder erwärmt oder abgekühlt wird, um im Raum

16 eine vorbestimmte Temperatur aufrechtzuerhalten. Die Durchlässe 12 und 14 können horizontal, vertikal oder unter anderen Winkel verlaufen.

Eine typische Anlage 10 kann 60 bis 100 Wärmerohre 20 nach F i g. 2 enthalten. Ein Wärmerohr 20 kann eine Länge von 1,80 m bis 2,50 m und einen Durchmesser von 1,3 cm bis 1,9 cm haben. Es besteht beispielsweise aus einem Kupferrohr 22, das eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und eine gute Korrosionsfestigkeit hat. Auf dem Kupferrohr 22 ist eine Vielzahl von üblichen Wärmeaustauschrippen 24 so befestigt, daß sich ein guter Wärmeübergang von ihnen auf das Rohr ergibt. Die Enden des Rohres 22 sind mit Kappen 25 und 26 dichtend verschlossen. Das Innere des Rohres 22 wird zunächst über einen Anschluß 28 in der Kappe 26 evakuiert und danach bis zu einem Drittel mit einem üblichen Arbeitsfluid 30, etwa dem Kühlmittel R12 gefüllt. Danach wird der Anschluß 28 durch Krimpfen und Löten dauerhaft dichtend verschlossen.

Die Innenwand des Rohres 22 weist eine große Anzahl von in geringem Abstand voneinanderliegenden, ■n Umfangsrichtung verlaufenden Kapillarnuten 32 auf, die vorzugsweise über die gesamte Länge des Rohres vorgesehen sind. Besteht das Arbeitsfluid aus dem Kühlmittel R 12, so können die Kapillarnuten 32 von der Spitze bis zum Grund eine Tiefe in der Größenordnung von 036 mm und einen Abstand in der Größenordnung von 0,18 mm haben. Es können die Kapillarnuten 32 zur Vereinfachung der Herstellung aus einer durchgehenden, wendeiförmigen Nut bestehen oder aber von getrennten Ringnuten gebildet werden. Die Kapillarnuten 32 weisen im Querschnitt vorzugsweise eine verringerte Breite im Bereich der Öffnung auf (Fig.5),

wobei die öffnung 34 schmaler ist, als die Breite 36 der Kapillarnut 32. Durch diese Querschnittsform ergibt sich eine optimale Kapillarwirkung für den Flüssigkeitstransport mit maximaler Rate. Ferner stellen die

Metallstreifen oder -rippen, die die Nuten 32 bilden, einen Wärmeleitpfad geringen Widerstandes von der Wand des Wärmerohres zur Grenzschicht zwischen Flüssigkeit und Dampf dar, wo die Verdampfung und die Kondensation stattfindet

Über einen wesentlichen Teil der Länge des Rohres 22 erstreckt sich ein Strömungsteiler 40, der eine horizontale Platte 42 hat, die im wesentlichen entlang des gesamten Durchmessers des Rohres 22 verläuft Eine entsprechende Platte 44 des Strömungbteilers 40 to ist rechtwinklig zur Platte 42 angeordnet Der so entstehende kreuzförmige Querschnitt des Wärmerohres ermöglicht dessen Einbau sowie den Einbau der Anlage 10 in einer von zwei Stellungen, wobei sich immer eine horizontale Trennplatte ergibt Darüber hinaus stellt der kreuzförmige Querschnitt eine richtige Einstellung des Strömungsteilers 40 sicher, ermöglicht eine wirtschaftliche Herstellung durch Extrudieren und ist verhältnismäßig starr.

Es sei angenommen, daß im Betrieb die eintretende Luft im Durchlaß 12 wärmer ist als die ausströmende Luft im Durchlaß 14. in diesem Fall wird die flüssige Phase an den Enden der Wärmerohre 20 ve;dampft, die innerhalb des Durchlasses 12 liegen. Da sich der Flüssigkeitsspiegel 30 in der unteren Hälfte des Rohres befindet, kann der Dampf frei durch die obere Rohrhälfte zu den gegenüberliegenden Enden der Wärmerohre 20 strömen, wo er durch die durch den Durchlaß 14 fließende kühlere Luft kondensiert wird. Wenn der Dampf des Arbeitsfluids 30 kondensiert, kehrt die Flüssigkeit entlang dem unteren Teil des Rohres durch Schwerkraft zurück, da das Rohr im wesentlichen horizontal angeordnet ist Die Wirksamkeit des Rohres kann für gewisse Anwendungsfälle durch Neigen der Wärmerohre verringert werden, so daß ein Teil des Verdampferabschnittes weniger oder keine Flüssigkeit enthält.

Obwohl die Kapillarnuten 32 aus einer durchgehenden Wendel bestehen, ergibt sich kein Flüssigkeitstransport in Längsrichtung. Die Kapillarnuten 32 befördern jedoch die flüssige Phase des Arbeitsfluides nach oben über den Flüssigkeitsspiegel hinaus, so daß der Grenzflächenbereich zwischen Flüssigkeit und Dampf über die gesamte Länge wesentlich erhöht wird. Ist die in den Durchlaß 12 eintretende Luft kühler als die austretende Luft im Durchlaß 14, so wird das rechte Ende de,' Wärmerohre 20 zum /erdampferabschnitt und das linke Ende zum Kondensatorabschnitt, und die Strömung des Arbeitsfluids 30 in der dampfförmigen und der flüssigen Phase wird umgekehrt Somit ist kein Umschalten der Strömungsrichtung oder der Betriebsweise der Anlage bei Jahreszeitenwechsel erforderlich.

Ergibt sich ein großer Temperaturgradient zwischen der Luft in den Durchlässen 12 und 14, wenn also etwa die eintretende Luft eine Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes und die austretende Luft eine Temperatur zwischen 21⁰C und 27° C hat, so strömen große Dampfvolumina mit hoher Geschwindigkeit vom Verdampferabschnitt zum Kondensatorabschnitt. In Wärmerohren ohne Strömungsteiler 40 ist es möglich, daß sich in der entlang dem Boden dt-r Rohre zurückströmenden Flüssigkeit eine Welle aufbaut. Ist diese Welle hoch genug, so kann sie die obere Wand des Rohres erreichen, und die Flüssigkeit wird dann schubartig bewegt wodurch eine Begrenzung der Strömungsgeschwindigkeit des Dzjnpfes auf die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsschübe erfolgt. Das verringert das zu transportierende Dampfvolumen so stark, daß keine nennenswerte 'Värmeübertragung mehr erreicht werden kann.

Die horizontale Platte 42 des Strömungsteilers 40 trennt den Dampf in der oberen Hälfte des Rohres von der Flüssigkeit in der unteren Hälfte, wodurch das Entstehen einer Welle und damit eines schubartigen Strömens der Flüssigkeit in der oberen Hälfte verhindert wird. Die senkrechte Platte 44 beeinträchtigt diese Wirkung nicht, sondern dient als Versteifung und als Festlegung für die horizontale Phtte 42. Außerdem kann die vertikale Platte 44 zur horizontalen Platte werden, wenn die Anlage 10 bei der Montage um 90° gedreht wird, so daß also die Anlage 10 sowohl in horizontal als auch in vertikal verlaufende Durchlässe 12 und 14 einbaubar ist. Selbstverständlich können auch andere Einbaurichtungen der Anlage 10 ermöglicht werden, wenn die Platten 42 und 44 in den Rohren entsprechend ausgerichtet sind. Es wird darauf hingewiesen, daß die Kanten der Platten *2 und 44 in Berührung mit der Wand des Rohres 22 sein können, ohne daß der Flüssigkeitsstrom durch die Kapillarnuten 3? nach oben oder unten unterbrochen wird. Somit kann der Strömungsteiler 40 mit konstantem Querschnitt extrudiert werden, ohne daß an seinen Kanten öffnungen oder Ausschnitte vorhanden sein müßten, die einen Flüssigkeitsstrom um die Plattenkanten ermöglichen, wenngleich gegebenenfalls Einschnitte vorgesehen werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Wärmerohr mit einer Kühlzone und einer Heizzone, bei dem zumindest in der Heizzone an der Rohrinnenwand in Umfangsrichtung Kapillarnuten verlaufen, wobei ein Arbeitsfluid mit einer flüssigen und einer bei Betriebstemperatur dampfförmigen Phase im Wärmerohr eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei im wesentlichen waagerechter Anordnung des Wärmerohrs (20) der Flüssigkeitsspiegel des Arbeitsfluids zumindest in der Heizzone auf einer Höhe von weniger als dem horizontalen Innendurchmesser des Wärmerohrs (20) steht, und daß die Kapillarnuten (32) sich zur Vergrößerung der Grenzschicht zwischen der flüssigen Phase und der dampfförmigen Phase ohne Unterbrechung über die gesamte oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegende Rohrwandung ersixekken.

2. Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, aaß die öffnung (34) der Kapillarnut (32) schmaler ist als deren tiefer liegende Teile (36).

3. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarnuten (32) im wesentlichen durchlaufend, wendelförmig verlaufen.

4. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Heizzone und in der Kühlzone Kapillarnuten (32) vorgesehen sind.