DE2403538C3

DE2403538C3 - Wärmerohr

Info

Publication number: DE2403538C3
Application number: DE2403538A
Authority: DE
Inventors: George Maurice Los Alamos N.Mex. Grover (V.St.A.)
Original assignee: Q Dot Corp
Current assignee: Alstom Power Inc
Priority date: 1973-02-14
Filing date: 1974-01-25
Publication date: 1980-09-11
Also published as: CH573093A5; JPS52118656A; FR2217653B1; ZA74495B; JPS5632554B2; IL44164A; CA1035766A; IT1002888B; DE2403538B2; JPS5545833B2; FR2217653A1; DE2403538A1; NL7401902A; AU6542874A; GB1464911A; BR7401069D0; US4020898A; IL44164A0; JPS49113256A; SE414830B

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmerohr gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus der FR-PS 20 09 000 ist bereits ein derartiges Wärmerohr bekannt, das im unteren Bereich seines Inneren ein als Arterie wirkendes Rückführrohr aufweist. Die Arterie liegt auf einer Drahtgeflecht-Auskleidung des Wärmerohres und ist mit dieser verschweißt oder verlötet, so daß die Arterie gegenüber dem Wärmerohr nicht wärmeisoliert ist. In der Heizzone erfolgt daher auch im Inneren der Arterie eine Verdampfung, die den Rückstrom des Arbeitsfluids aus der Kühlzonc behindert.

Aus der US-PS 34 72 314 ist bereits ein Wärmerohr in stehender Anordnung bekannt, bei der das Rückführrohr gegenüber dem Wärmerohr im wesentlichen wärmeisoliert ist. In liegender Anordnung ist dieses bekannte Wärmerohr jedoch nur schlecht arbeitsfähig.

Aus der GB-PS 22 272 ist ferner bereits ein Wärmerohr mit konzentrischem Rückführrohr bekannt,

im Abstand zur Wärmerohrwand gehalten wird. Das Rückführrohr hat im wesentlichen die gleiche Länge wie das Wärmerohr, so daß nur kleine Räume an den gegenüberliegenden Enden des Wärmerohres vorhanden sind, in die sich das Rückführrohr nicht erstreckt. Ein Nachteil dieses bekannten Wärmerohres liegt darin, daß durch die konzentrische Anordnung des Rückführrohrs die Dampfströmung von der Heizzone zur Kühlzone erschwert ist, während bei der Rückführung

der flüssigen Phase von der Kühlzone zur Heizzone keine Gewährleistung dafür gegeben ist, daß dieser Rücktransport durch das Rückführrohr erfolgt. Ein wesentlicher Teil des flüssigen Arbeitsmittels wird nämlich unter dem Rückführrohr entlang strömen. Außerdem ist das Rückführrohr gegenüber dem Wärmerohr nicht wärmeisoliert

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein im wesentlichen horizontal anzuordnendes Wärmerohr mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs aufweisendes Wärmerohr.

Dadurch wird erreicht, daß nur in geringem Maße eine Wärmeübertragung vom Wärmerohr auf das Rückführrohr erfolgt so daß in letzterem noch keine die Rückströmung des Arbeitsmittels aus der Kühlzone behindernde Verdampfung auftritt Durch die bewegbare Anordnung dieses Rückführrohrs im Wärmerohr wird ferner sichergestellt, daß das Rückführrohr bei jeder Winkelstellung des montierten Wärmerohr an dessen tiefster Stelle liegt und damit ein Vorbeiströmen des Arbeitsmittels bei dessen Rücktransport zur Heizzone verhindert. Durch die Halterungen für die Begrenzung der Verschiebung des Rückführrohrs wird ferner verhindert, daß dieses bei geneigt montiertem Wärmerohr zu weit in die Heizzone rutscht und damit den Austrittsbereich des zurückströmenden flüssigen Arbeitsmittels verkleinert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Wärmerohr, wobei der Mittelteil zur Verdeutlichung weggelassen wurde.

Fig. 2 zeigt vergrößert in perspektivischer Darstellung einen Teil des Wärmerohres gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 4-4 aus Fig. 1.

Fig. 4 zeigt vergrößert die Kapillarnuten des Wärmerohrs.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung des Wärmerohres aus Fig. I, wobei die Länge gegenüber dem Durchmesser erheblich verringert wurde.

Fig. 6 zeigt verkleinert einen Schnitt durch ein bekanntes Wärmerohr.

F i g. 7 zeigt in einem Diagramm die maximalen Raten bzw. Geschwindigkeiten der Wärmeübertragung mittels des bekannten Wärmerohres gemäß F i g. 6 und des erfindungsgemäßen Wärmerohres.

Das Wärmerohr 20 umfaßt ein äußeres Rohr 22, das typischerweise mindestens 1,8 i m bis 2,44 m lang ist und einen Durchmesser von 1,27 cm bis 1,91 cm hat. Das Rohr 22 wird typischerweise aus Kupfer- oder Aluminiumrohr hergestellt, da diese Materialien eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und eine sehr gute Korrosionsfestigkeit haben. An der Außenseite des „t™, ti,.;

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Wärmeaustauschbleche 24 befestigt, so daß sich zwischen ihnen und dem Rohr eine gute Wärmeübertragung ergibt. Die Bleche 24 werden üblicherweise dann nicht benötigt, wenn der Wärmeaustausch mit einer Flüssigkeit und nicht mit einem Gas erfolgt.

Die einander gegenüberliegenden Enden des Rohres 22 sind mittels Kappen 26 und 28 abgedichtet. Bei der Herstellung der Wärmeröhre 20 wird das Rohr 22 zunächst über einen Anschluß 30 der Kappe evakuiert.

Danach wird das Arbeitsfluid 31, das eine flüssige und eine Dampfphase hat, etwa das Kühlmittel R 12, in das Rohr 22 eingefüllt und der Anschluß 30 dichtend verschlossen, beispielsweise durch Krimpfen und Löten oder Schweißen.

Es hat sich gezeigt, daß die Menge des im Wärmerohr 20 verwendeten Arbeitsfluids sehr wichtig für den richtigen Betrieb der Einrichtung ist. Es wurde ermittelt, daß die Wärmeübertragungsfähigkeit des Wärmerohres 20 ein Maximum hat, wenn die Menge des Arbeitsfluids i<> in dem Wärmerohr so gewählt ist, daß die flüssige Phase bei der gewünschten Betriebstemperatur etwa 50% bis etwa 75% des Volumens des Rohres 22 füllt. Dieser Zustand ist in den Fi g. 1 und 3 dargestellt, wobei klar ist, daß der Flüssigkeitsspiegel des Arbeitsfluids während des wirklichen Betriebs des Wärmerohres 20 weit davon entfernt ist, gleichförmig über die Länge des Rohres 22 «erteilt zu sein.

in dem Rohr 22 ist ein Rückführrohr 32 ^für die flüssige Phase vorgesehen, das auf dem Boden des Rohres 22 ruht. Dieses Rückführrohr 32 kann aus einem dünnwandigen Kupferrohr bestehen und einen Innendurchmesser haben, der etwa 15% bis etwa 20% des Innendurchmessers des Rohres 22 beträgt. Das Rückführrohr 32 hat vorzugsweise eine Länge von ²Iz des 2-> Rohres 22, doch wurden gute Ergebnisse erzielt, wenn es Längen zwischen etwa 65% und 85% der Länge des Rohres 22 hatte. Die wirksame Länge des Rückführrohres 32 wird durch die öffnungen 32a bestimmt. Das Rückführrohr 32 erstreckt sich jedoch im wesentlichen )<> über die gesamte Länge des Rohres 22, um sicherzustellen, daß sich die Öffnungen 32a in der richtigen Lage des Rohres befinden, wobei die Enden 32b schräg abgeschnitten sind, so daß sichergestellt wird, daß sich keine Flüssigkeit und kein Dampf in den Enden des ü Rückführrohres fängt.

Die Innenwand des Rohres 22 ist über die gesamte Länge mit dicht nebeneinanderliegenden, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Kapillarnuten 34 versehen. Besteht das Arbeitsfluid in dem Wärmerohr 20 w aus dem Kühlmittel R 12, so können die Kapillarnuten 34 eine Tiefe von etwa 0,36 mm und einen Abstand von 0,18 mm haben. Die Kapillarnuten 34 können zur Vereinfachung ihrer Herstellung aus einer durchgehenden, wendeiförmigen Nut bestehen. Es ist auch möglich, ■>"' die Kapillarnuten aus einer Anzahl von getrennten, ringförmigen Nuten aufzubauen. Die Kapillarnuten 34 haben vorzugsweise einen Querschnitt mit verringerter Breite im Öffnungsbereich, wie dies in F i g. 5 angedeutet ist, wo die öffnungen 36 der Nuten 34 schmaler sind ^r>o als die Bodenbereichc 38. Diese Querschnittsfonn führt zu einer optischen Kapillarwirkung für den schnellen Flüssigkeitstransport. Außerdem formen die die Nuten bildenden Metallstreifen 40 Bahnen mit geringem Wärmewiderstand von der Wand der Wärmeröhre zur >5 Grenzschicht von Flüssigkeit und Dampf des Arbeitsfluid und verbessern so die Verdampfung und Kondensation des Arbeitsfluides innerhalb dpr Wärmpröhre 20.

Zur Erläuterung des Betriebs des Wärmerohrs 20 sei w) angenommen, daß das Roh. -Z .. uagerecht ausgerichtet ist, so daß ein Umkehrbetrieb möglich wird. Es ist jedoch klar, daß das Wärmerohr für einen nichtumkehrbaren Betrieb vom Verdampferende leicht nach oben geneigt sein kann, so daß die Schwerkraft die Rückkehr t>^r> der flüssigen Phase durch das Rückführrohr unterstützt. Es sei ferner angenommen, daß das linke Ende (Fig. 1) des Rohres 22 auf verhältnismäßig hoher Temperatur und das rechte Ende auf verhältnismäßig niedriger Temperatur gehalten wird. In diesem Fall kann das auf hoher Temperatur liegende Ende als Verdampferabschnitt oder Heizzone und das auf niedriger Temperatur liegende Ende als Kondensatorabschnitt oder Kühlzone bezeichnet werden.

Infolge der verhältnismäßig hohen Temperatur des Verdampferabschnittes wird das Arbeitsfluid von der flüssigen Phase in die Dampfphase umgewandelt. Die entstehende Dampfphase strömt durch den Transportbereich des Rohres 22 außerhalb des Rückführrohres 32 zur Kühlzone. Infolge der verhältnismäßig niedrigen Temperatur in der Kühlzone wird das Arbeitsfluid von der Dampfphase in die flüssige Phase umgewandelt. Diese flüssige Phase kehrt von der Kühlzone durch das R.ickführrohr 32 zur Heizzone zurück.

Wenn die flüssige Phase durch die Öffnungen 32a in die Heizzone austritt, so neigt die zwischen den Öffnungen und dem Ende der Umhüllung 22 erzeugte Dampfphase dazu, die Flüssigkeit zur Kühlzone zu schwemmen, so daß die flüssige Phase über die gesamte Länge der Heizzone den Nuten 34 zugeführt wird. Die Kapillarnuten 34 bewegen dann die Flüssigkeit in Umfangsrichtung, so daß sun der gewünschte Betrieb des Wärmerohres ergibt. Die Wirkung besteht darin, daß die Flüssigkeit im wesentlichen in der in F i g. 5 gezeigten Weise innerhalb des Rohres 22 verteilt ist, wobei die Längserstreckung des Rohres gegenüber dem Durchmesser erheblich verringert dargestellt ist. Es sei darauf hingewiesen, daß die flüssige Phase dazu neigt. sich infolge der Strömung der Dampfphase an beiden Enden des Rohres 22 anzusammeln.

Das Wesentliche ergibt sich aus F i g. 7, wo die Kurve 42 die maximale Wärmeübertragungsfähigkeit des bekannten Perkins-Rohrcs 100 (GB-PS 22 272) aus Fig. 6 in Abhängigkeit vom Volumen des Arbeitsfluids im Rohr 112 zeigt. Die Kurve 44 ergibt sich für ein Wärmerohr gemäß den F i g. 1, 2 und 3, jedoch ohne die Kapillarnuten 34, so daß die Bedeutung der Lage des Rückführrohres 32 am Boden des Rohres 22 unmittelbar erkennbar wird. Die Kurve 46 zeigt die Wänneübertragungsfähigkeiten eines Wärmerohres gemäß Fig. 2. 3 und 4. Die verschiedenen Kurven gemäß F i g. 7 wurden unter vergleichbaren Bedingungen aufgenommen.

Ein Vergleich der Kurven 44 und 46 zeigt, daß sich allein durch die Lage des Rüekführrohres für die flüssige Phase eine maximale Wärmeübertragungsfähigkeit ergibt, die etwa 50% größer ist als die des Perkins-Rohres. Die Eigenschaften des Perkins-Rohres 100 reichen nicht aus, um dieses wirtschaftlich interessant zu machen. Die maximale Wärmeübertragungsfähigkeit bei einem erfindungsgemäßen Wärmerohr 20 mit Kapillarnuten beträgt, nahezu das Vierfache eines Perkins-Rohres 100 und ist von großem wirtschaftlichem Interesse. Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß eine einzigartige Wärmeübertragungseinrichtung geschaffen wurde, die gegenüber ähnlichen, vorbekannten Finrirhtunppn wpspntlirh vprhpsiprtp Betriebseigenschaften hat. Eine Grundlage für die verbesserten Betriebseigenschaften besteht in der Trennung des Gegenstroms von flüssiger Phase und Dampfphase während des Betriebs einer Wärmeröhre, während die flüssige Phase gleichzeitig in den an der Innenwand der Umhüllung gebildeten Kapillarnuten verteilt wird. Man erkennt, daß die Rohre 22 und 32 einen Querschnitt haben können, der von der Kreisform abweicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmerohr von im wesentlichen horizontaler Anordnung, dessen Länge seinen Durchmesser um ein Vielfaches übertrifft und dessen beide Enden verschlossen sind, mit einer Heiz-, Transport- und Kühlzone, wobei in dem Wärmerohr das Arbeitsfluid in der Heizzone verdampft und in der Kühlzone kondensiert, sowie mit einem im unteren Bereich des Wärmerohres angeordneten Rückführrohr verhältnismäßig geringen Durchmessers, das offene Enden hat, von denen eines sich in der Kühlzone und das andere sich in der Heizzone befindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückführrohr (32) gegenüber dem Wärmerohr (20) im wesentlichen wärmeisoliert ist, daß das Rückführrohr (32) bewegbar in dem Wärmerohr (20) angeordnet ist und daß zwischen Wärmerohr (20) und Kückführi-ohr (32) Halterungen zur Begrenzung der Verschiebung des Rückführrohres (32) in Längsrichtung vorgesehen sind.

2. Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückführrohr (32) radiale Öffnungen (32a^ aufweist, deren Abstand etwa 65% bis 85% der axialen Länge des Wärmerohres (20) beträgt.

3. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die offenen Enden (32tydes Rückführrohres (32) abgeschrägt sind.

4. Wärmerohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschrägten, offenen Enden (32£>^nach unten geöffnet sind.

5. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Rückführrohres (32) etwa 30% bis etwa 40% des Innendurchmessers des Wärmerohres (20) beträgt.