DE2425745A1

DE2425745A1 - Einrichtung zur waermeuebertragung

Info

Publication number: DE2425745A1
Application number: DE19742425745
Authority: DE
Inventors: Richard L Pessolano; Robin B Rhodes
Original assignee: Isothermics Inc
Current assignee: Isothermics Inc
Priority date: 1973-06-01
Filing date: 1974-05-28
Publication date: 1974-12-19
Also published as: DE2425745B2; JPS5016154A; DE2425745C3; CA982533A; FR2231929B1; US3880230A; FR2231929A1

Description

Patentanwälte

Wilhelm Mallei

6 FianK^ri c. Γ*.
kiSe 13

7879

ISOTHERMICS INC., Clifton, New Jersey, V.St.A.

Einrichtung zur. V/ärmeüb ertragung

In den zurückliegenden Jahren wurde viel Mühe darauf verwendet, wirksame Methoden für den Transport von Wärmeenergie ausfindig zu machen. Dies war dadurch angeregt worden, daß der Verlust und die Verschwendung von Wärme zu einem Problem in einem Hauptbereich unserer hoch entwickelten Technologie geworden war.

Aus diesen Bemühungen war eine neuartige Vorrichtung hervorgegangen, die der einschlägigen Industrie hinsichtlich tier Wärmeübertragung beachtliche Möglichkeiten eröffnete. Diese als Wärmerohr bezeichnete neue Vorrichtung kann dazu dienen, den Wirkungsgrad eines Wärmeübergangs bedeutend zu erhöhen, unter Herabsetzung der unerwünschten Wärmestreuung auf ein Mindestmaß* Das Wärmerohr kann thermische Energie in Ausmaßen bzw. Geschwindigkeiten übertragen, die einige hundert mal größer als diejenigen der besten festen Leiter wie Silber, Kupfer und Gold sind. Zusätzlich wird bei der Verwendung des Wärmerohrs ein viel kleineres Verhältnis von Leistung zu Gewicht erhalten.

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Diese Vorrichtung ist einfach, hat keine beweglichen Teile, ist billig herzustellen, hat eine lange, wenn nicht unbegrenzte Lebensdauer und kann über einen ausgedehnten Temperaturbereich betrieben werden.

Die Grundlagen des Wärmerohrs wurden durch Richard S. Gauger von der General Motors Corporation vor einigen dreißig Jahren entwickelt. Jedoch wurden zunächst keine Anstrengungen gemacht, diese Prinzipien nutzbar zu machen, bis 1963 die Nationale Luft- und Raumfahrtbehörde sich der Suche nach einem Supraleiter für thermische Energie gegenübersah. Die heute als Wärmerohr bekannte Vorrichtung wurde an der Universität von Kalifornien durch ein Team von Forschungswissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Georg L. Grover entwickelt.

Während die Vorrichtung manchmal mit einem Dampfheizungssystem verglichen wird, ist sie genauer als Miniaturausführung einer hermetisch verschlossenen Verdampfungs- und Kondensationseinrichtung zu beschreiben.

Bis vor kurzem sind nur ausgefallene Anwendungen, wie die Benutzung durch die NASA zur Kühlung von Elektronikbauteilen in der Raumfahrt, für das Wärmerohr ins Auge gefaßt worden. Demgegenüber bezweckt die vorliegende Erfindung erstmalig wenigstens eine gewerbliche Anwendung von besonderer Bedeutung für diese leistungsfähige Vorrichtung.

Das Wärmerohr besteht im wesentlichen aus einem dicht verschlossenen Behälter, einer kapillaren Dochtstruktur und einem Betriebsmittel in ausreichender Menge, um die Dochtstruktur zu sättigen bzw. tränken. Dabei ist der Behälter abgedichtet, während er unter einem Vakuum steht.

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Weil der Behälter unter einem Vakuum abgeschlossen ist, steht das flüssige Betriebsmittel im Gleichgewicht mit seinem eigenen Dampf. Somit wird durch Zuführung von Wärme zu einer äußeren Fläche des Wärmerohrs eine augenblickliche Verdampfung des Betriebsmittels bzw. der Betriebsflüssigkeit in der Nähe der erhitzten Oberfläche verursacht. Bei dem Verdampfungsprozeß wird die latente Verdampfiingswärme durch den Dampf absorbiert.

Die latente Verdampfungswärme ist im wesentlichen das Verhältnis von (a) der Wärme, die während des Phasenwechsels bzw. der Zustandsänderung von Flüssigkeit zu Dampf absorbiert wird, zu (b) der Masse des Systems, das der Zustandsänderung unterliegt. Mehr technisch ausgedrückt, ist die Verdampfungswärme definiert als die Differenz zwischen den Enthalpien des Systems vor und nach der Zustandsänderung von Flüssigkeit zu Dampf bei konstanter Temperatur.

Der Dampf, der infolge einer Wärmezufuhr entsteht, erzeugt einen Druckgradienten in dem Wärmerohr, der den überschußdampf in einen Bereich des Wärmerohrs treibt, der sich auf niedrigerem Druck und niedrigerer Temperatur befindet. Die tiefere Temperatur bewirkt die Kondensation von etwas Dampf, wobei die latente Verdampfungswärme durch die Kondensationsflächen des »Wärmerohrs absorbiert werden. Diese Wärme kann von den Kondensationsflächen durch Leitung, Konvektion oder Strahlung an die Umgebung abgeführt werden.

Das Kondensat wird zum Verdampfungsbereich (dem Bereich der Wärmezuführung) durch die kapillaren Pumpkräfte in der Dochtstruktur am inneren Umfang des Wärmerohrs zurückgeführt. Diese Rückführung kann mit oder ohne Unterstützung durch die Schwerkraft erfolgen.

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Wie bereits erwähnt, hat jedes Wärmerohr nur drei grundlegende Bestandteile, nämlich den Behälter, den Docht und das Betriebsmittel. Diese äußerliche Einfachheit, in Verbindung mit der Tatsache des Fehlens jeglicher bewegter mechanischer Teile hat dazu geführt, daß die Wärme- und die Kälteindustrie der Wärmerohrtechnologie weit größere Beachtung schenken. Der hohe Wirkungsgrad des Wärmerohrs ergibt sich aus dem Umstand, daß die Wärmemenge, die bei der Verdampfung eines Betriebsmittels absorbiert wird, enorm hoch ist im Vergleich zu der Wärmemenge, die bei einer Temperaturerhöhung eines Strömungsmittels absorbiert wird. So ist zum Beispiel die Wärmemenge, die durch 1 pd (etwa 0,54 kg) Wasser bei der Erhitzung von 164⁰F auf 165⁰F (von 73,33 auf 73,89°C) absorbiert wird, gleich 1 BTÜ (0,252 kcal). Wenn dagegen 1 pd Wasser zuerst bei 164 F verdampft und dann der Dampf auf 165⁰F erhitzt wird, beträgt die absorbierte Wärmemenge 1000 BTU (252 kcal). Demnach bietet die gleiche Wassermasse das Tausendfache an Wärmeübertragungsvermogen über denselben Temperaturgradienten, wenn latente Wärmeübertragung angewendet wird.

Wärmerohre können so konstruiert werden, daß sie praktisch eine beliebige Wärmebelastung übernehmen können, und so, daß sie über irgendeinen Temperaturbereich von unterhalb -300⁰F (-185⁰C) bis über 363O⁰F (2000⁰C) betrieben werden können, indem ein geeignetes Betriebsmittel gewählt wird. Betriebsmittel für Wärmerohre reichen von Kälteerzeugern bzw. Kälteträgern wie Stickstoff und Helium bis zu flüssigen Metallen wie Kalium und Silber. Eines der gebräuchlichsten Betriebsmittel ist Wasser, das einen nutzbaren Betriebsbereich von 40⁰F (4⁰C) bis 450⁰F (232⁰C) hat.

Eine Standardserie von Kupfer-Wasser-Wärmerohren ist neuerdings im Handel erhältlich. Diese Wärmerohre reichen im Durchmesser vpn 3/16 Zoll (0,5 cm) bis 1 Zoll (2,5 cm) und in der Länge von 6 Zoll (15 cm) bis 72 Zoll (183 cm). Der Bereich des axialen Leistungstransports geht von 60 Watt bis I4OO Watt.

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Die vorliegende Erfindung kann als die erste Konzeption für praktisch unzählige Anwendungen des Wärmerohrs gelten. Insbesondere bezweckt die Erfindung (a) in Wohnraumheizungsanlagen die Wärmeverluste zu reduzieren, (t>) den Wirkungsgrad der Heizung zu erhöhen und (c) zugleich den Doppelaufwand an Anlagebestandteilen zu vermeiden, wie er jetzt bei Gas-, öl- und Kohleheizungen mit besonderen Warmwassererhitzern und besonderen Luftkonditionierungseinrichtungen besteht.

Bei der Anwendung auf Wohnraumheizungsanlagen umfaßt die Erfindung eine Wärmeübertragungseinrichtung mit drei Grundelementen: einen Umwandler für die Ursprungswärme, eine Warmwasserkammer und eine Warmluftkammer. Zusätzlich: zu diesen drei Grundelementen weist die Einrichtung einen ergänzenden fundamentalen Bestandteil auf, nämlich eine Mehrzahl von Wärmerohren, die eine thermische Verbindung der Warmwasserkammer und der Warmluftkammer mit dem primären Wärmeumwandler herstellen.

Die Ausdrücke Wärmewandler, thermischer Umwandler und Umformer sollen sich nachstehend auf eine Kammer der Einrichtung beziehen, die in erster Linie als thermisches Bindeglied zwischen einer äußeren Wärmequelle der Einrichtung und der Einrichtung selbst wirksam ist und in der als Haupthilfsmittel der Wärmeübertragung das Verdampfen oder Sieden eines in der Kammer enthaltenden Betriebsmittels vor sich geht, gefolgt von der Kondensation dieses Betriebsmittels auf den Außenflächen einer Mehrzahl von Wärmerohren, die die Kammer thermisch mit einer anderen Kammer der Einrichtung verbinden.

Der Ausdruck Kammer soll hierin einen unterschiedlichen und getrennten Bereich der Einrichtung bedeuten, in oder durch den sich eine Mehrzahl von" Wärmerohren erstrecken, die diesen Bereich thermisch mit einem anderen Bereich der Einrichtung verbinden, und der Hauptzweck jenes Bereichs ist der, eine Übertragung von Wärme zu

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oder von der Mehrzahl von Wärmerohren von oder zu einem Betriebsmittel mit definierten Wärmeübertragungseigenschaften zuzulassen^ das sich in dem Bereich befindet oder durch diesen Bereich hindurch läuft.

Dem Umwandler kann durch jede Art von Wärmequelle Energie zugeführt werden. Aus dem Umwandler tritt die Wärme in die Wärmerohre ein, die ihrerseits die thermische Energie der Wasserkammer sowie der Luftkammer zuleiten. Bei einem Anlagebeispiel dient der Wassertank drei Aufgaben: erstens als Quelle für Warmwasser im Haushalt, ferner als thermische Kapazität bzw. Wärmespeicher, und drittens als Brennerüberwachung bzw. -steuerung. Gemäß einer charakteristischen Arbeitsweise wird der Brenner abgestellt, wenn der Wassertank die vorbestimmte Temperatur erreicht. Da der Warmwasserabschnitt durch Wärmerohre mit dem Warmluft abschnitt verbunden ist, dient der Wassertank als zusätzliche Wärmequelle für den Warmluftabschnitt, wenn der Brenner abgestellt ist. Dies bedeutet eine Wärmeübertragung von hohem Wirkungsgrad, die bei herkömmlichen Anlagen nicht besteht. Wenn die Temperatur des Tankwassers unter eine zweite vorbestimmte Temperatur fällt, wird der Brenner wieder angestellt.

Der Warmluftstrom wird durch einen Raumthermostaten geregelt, der ein mit zwei Geschwindigkeiten ausgestattetes Gebläse steuert. Das Gebläse besitzt eine niedrige Geschwindigkeit, um. einen konstanten schwachen Strom von Warmluft zu fördern, und eine hohe Geschwindigkeit, um zusätzliche Wärme bzw. Warmluft zu liefern, wenn es erwünscht ist. Die Gebläsesteuerung ist völlig unabhängig' vom Brenner. -

Diese Arbeitsweise beseitigt die Betriebsart mit großen bzw. häufigen Temperaturänderungen, die in gegenwärtigen Anlagen ge-

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bräuchlich sind. Durch Ausnutzung des Wassertanks als thermische Kapazität bzw. Wärmespeicher ist es möglich, die Gesamtbetriebszeit des Brenners abzukürzen und den Brennerzyklus von vielen kurzen Laufzeiten auf wenige längere Betriebsperioden am Tag umzustellen* Durch weniger häufiges An- und Abstellen werden der Verschmutzungsgrad der Brennerdüse sowie auch die Betriebskosten herabgesetzt gegenüber dem herkömmlichen Betrieb mit Brennerperioden von großer Häufigkeit.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, und zwar zeigen schematisch

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Wärmerohr;

Fig. 2 eine Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung;

Fig. 3 einen Querschnitt durch den thermischen Umwandler;

Fig. k eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht einer Einrichtung für die Gebäudeheizung mit den Merkmalen der Erfindung;

Fig. 5 eine Anlage für die Gebäudeklimatisierung mit den Merkmalen der"Erfindung.

In Fig. 1 ist ein einzelnes Wärmerohr in schemätischer Form veranschaulicht. Bei der dargestellten Ausführungsform weist das Sohr einen verschlossenen länglichen zylindrischen Behälter 9 auf, der Betriebsmittel 11 und eine kapillare Dochtstruktur enthält, die ringsum an der Innenfläche des Rohrs 10 befestigt ist,

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Der Bereich 13 wird als Verdampferende bzw. -abschnitt des Kohrs bezeichnet. Denn an diesem Ende wird die Wärme der Einrichtung zugeführt, wodurch die Verdampfung des Betriebsmittels 11 oder die Bildung von Dampf 11' verursacht wird, der sich in Achsrichtung nach rechts zu einem Bereich 1 Zf des Eohrs bewegt, der unter einem niedrigeren Druck steht. Der Bereich 14 stellt das Kondensatorende bzw. den Kondensatorabschnitt des Bohrs dar. Denn an diesem Ende wird der Dampf 11« kondensiert; wobei er seine latente Wärme abgibt. Bei der Kondensation wird das Betriebsmittel 11 in der Dochtstruktur 12 absorbiert und durch Kapillarkräfte zum Verdampferende 13 zurückgeführt, wo der vorstehende Kreislauf von neuem beginnt, der sich im übrigen unbegrenzt wiederholen kann. Der mittlere Abschnitt 15 des Rohrs wird unterschiedlich als ein Transportbereich oder ein adiabatischer Bereich bezeichnet. Dem Wesen nach bedeuten diese Ausdrücke, daß der Abschnitt 15 die Funktion hat, eine wirksame Übertragung des verdampften Betriebsmittels vom Abschnitt 13 zum Abschnitt 14 und des kondensierten Dampfs vom Abschnitt 14 zum Abschnitt 13 vorzunehmen.

Fig. 2 veranschaulicht in einer Ausführungsform eine Anordnung nach der Erfindung. Gezeigt ist eine Mehrkammereinrichtung zur Wärmeübertragung, bei der Wärmerohre dazu dienen, mehrere getrennte Kammern thermisch zu verbinden. Die Anzahl, Größe, Form, Ausbildung und relative Ausrichtung der getrennten Kammern können in beliebiger Weise variiert werden, um sie jeder Art von Erhitzungs- oder Abkühlungszwecken praktisch anzupassen. Ebenso können die Wärmerohre, ihre Anzahl, Form, Größe, Ausrichtung, Ausbildung und innere Arbeitsweise abgewandelt werden, wo immer es nötig ist, um ein besonderes Erhitzungs- oder Kühlungsproblem einer Lösung zuzuführen. In gleicher Weise wird mit der Erfindung angestrebt, daß sie sich an die Verwendung mit irgendeiner Wärmequelle und mit einer gewünschten Heizungsbelastung bequem anpassen läßt.

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Die primäre Art der Wärmeübertragung erfolgt durch Verdampfung und Kondensation eines Betriebsmittel in einem thermischen Umwandler 18 und in einem oder mehreren der Wärmerohre 20, 22, 24, 25. Der Umwandler 18 bewirkt eine Umformung oder Umwandlung der typischen hohen bzw. starken und ungleichförmigen Wärmeflüsse auf der Außenseite dieses Umwandlers in kleinere bzw. schwächere und gleichmäßigere Wärmeflösse. Die erwähnten Wärmerohre dienen als thermische Verbindungsglieder und als Wärmeübertragungsmittel zu den verschiedenen Kammern 26, 28, 30 und 32» Eine sekundäre Wärmeübertragung kann durch Ergänzungs- oder Hilfswärmerohre erhalten werden, die in oder zwischen den Kammern 26, 28, 30 und 32 angeordnet sind.

Es ist zu beachten, daß das in dem Umwandler 18 verwendete Betriebsmittel nicht notwendigerweise das gleiche sein muß wie das im Innern der Wärmerohre in den Kammern benutzte Betriebsmittel.

Alle Materialien bzw. Werkstoffe der Behältnisse sowie andere Werkstoffe in der erfindungsgemäßen Einrichtung können beliebig gewählt und verändert werden und sind nur begrenzt im Hinblick auf ihre chemische Verträglichkeit miteinander und mit den verschiedenen Stoffen, mit denen sie in Berührung kommen können. Diese Einschränkung erstreckt sich auf die Betriebsmittel, die beim. Gegenstand der Erfindung und seinen Bestandteilen verwendet werden. Zusätzlich unterliegen sowohl die Betriebsmittel und ihre betreffenden Behältniswerkstoffe einer gemeinsamen Einschränkung, insofern als die strukturelle Integrität dieser Behältnisse den Arbeitstemperaturen und den sich ergebenden Arbeitsdrücken der Betriebsmittel widerstehen muß.

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Die Wärme muß durch den oder aus dem Umwandler 18 zu einer oder mehreren der Kammern 26, 2.8, 30 und 32 übertragen werden. Diese verschiedenen Kammern sollen voneinander in geeigneter Weise abgeschlossen sein, wobei unter den schlechtesten Ausführungsund Betriebsbedingungen keine Masseübertragung von einer Kammer in eine andere Kammer stattfindet mit der Ausnahme, daß eine Masseübertragung als ein Teil eines Wärmeübertragungsprozesses beabsichtigt ist.

Die Grund- oder Ausgangswärmequelle 34» die eine Gasflamme, eine ölbrennerkammer, ein elektrischer Erhitzer oder irgendeine andere Quelle für thermische Energie sein kann, soll der Zuführung der primären Wärme in dem erforderlichen Ausmaß zu der erfindungsgemäßen Einrichtung dienen. Bei der in Fig. H dargestellten Aus führungs form ist die Wärmequelle 34 dem umwandler 18 zugeordnet. Es ist jedoch hervorzuheben, daß abweichende Anordnungen für eine gegebene Anwendung in gleicher Weise geeignet sein können. Beispielsweise könnte bei der Anordnung der Fig. 2 mit geringfügigen Anpassungsmaßnahmen die Wärmequelle 34 einer der Kammern 26..i.32 zugeordnet werden.

Die Kammer, an die die Wärmequelle 34 angelegt wird, sollte zusätzlich zu ihren Einschließungswänden ein Betriebsmittel (das von Zeit zu Zeit gefroren werden kann) und seinen Dampf umfassen sowie Verdampfungsflächen, Kondensationsflächen, ein Sicherheitsüberdruckventil und irgendwelche temperatur- und druckempfindlichen Regelvorrichtungen, die zur Lösung eines besonderen Erhitzungsproblems notwendig sein können.

Der Hauptzweck für die Verwendung eines Umwandlers im Gegensatz zu der direkten Anbringung der Wärmequelle 34 an den Verdampfer-

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enden der Wärmerohre 20 .... 25 ist die Herstellung einer Gleichförmigkeit in dem Wärmefluß (der durch die vier Pfeile in Fig. angedeutet ist) von der V/ärmequelle 3^ zu den Kammern 26·...32. Zusätzlich zur Erzeugung einer Gleichförmigkeit in dem Wärmegradienten der vorliegenden Anordnung dient der Umwandler 18 auch dazu, die Möglichkeit des Auftretens eines Phänomens herabzusetzen, das als Ausbrennen des Wärmerohrs bezeichnet wird. Dieses Ausbrennen des Wärmerohrs tritt auf, wenn die Verdampfungsgeschwindigkeit in dem Verdampferbereich die Geschwindigkeit der Kondensatrückführung zum Verdampf erbereich übersteigt und der Verdampfer austrocknet. Unter diesen Umständen kann ein Wärmerohr nicht wirksam werden.

Theoretisch braucht die in Fig. 2 gezeigte Anordnung nur ein einziges Wärmerohr. Jedoch haben Versuche gezeigt, daß ein wirksamerer Betrieb erhalten werden kann, wenn eine Mehrzahl von Wärmerohren in dem Umwandler 18 enthalten sind. Ein Beispiel für die Anordnung einer solchen Mehrzahl von Wärmerohren im Innern des Umwandlers ist in Fig. 3 veranschaulicht.

Gemäß Fig. 3 ist ein ΐ-förmiger Schacht 36 als Perkolator oder Durchsatzkanal vorgesehen. Ein Kollektor 37 dient der Sammlung von Dampfblasen, die das Hilfsmittel zum Pumpen des Betriebsmittels durch den Schacht 36 zu den oberen Enden der Dochtstruktur bilden. -

Auf diese Weise wird der Ausbrenn-Wärmefluß der Verdampfungsfläche des Umwandlers stark erhöht infolge dieses zusätzlichen Kondensatrückführungsmechanismus.

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Ein zusätzlicher Kondensatrückführungsmechanismus, nämlich der Schwerkraftrücklauf von Kondensat von der Kondensatorfläche, wird unterstützt durch die Verwendung von parallelen Radialrippen 38 auf den Heizrohren. Diese parallelen Radialrippen unterstützen, bei Anordnung in richtigem Abstand, die Kondensatrückführung zufolge eines Meniskus, der sich zwischen benachbarten Rippen und auf den hinsichtlich der Schwerkraft unteren Flächen bildet. Wenn Tropfen von diesen unteren Flächen herabfallen, dienen die Oberflächenspannungskräfte aufgrund dieses Meniskus dazu, Kondensat in der Form eines Films abzuziehen, der von den oberen Flächen dieser parallelen Rippen herabfällt. Es ist anzunehmen, daß durch dieses Phänomen die Wärmeübertragung infolge Kondensation an der Unterseite einer waagerechten Fläche um das Fünffache gesteigert wird im Vergleich zur Kondensation ohne Bildung eines solchen Meniskus und die sich daraus ergebenden Oberflächenspannungskräfte. Der Hauptgrund für die erhöhte Wärmeübertragung ist die Herabsetzung der Filmdicke als Ergebnis dieser Erscheinung des herabfallenden Films.

Es hat sich ferner gezeigt, daß die Konstruktion der Fig. 3 mit maximalem Wirkungsgrad arbeitet, wenn jedes Rohr 10 in seiner eigenen senkrechten Ebene verläuft. Dieser Verlauf weißt jedem Rohr einen eigenen Fallweg zum Bereich ifO zu. Dadurch· wird für das Betriebsmittel der Bewegungsumlauf in dem Umwandler 18 weiter unterstützt.

Die Wärme kann in den Umwandler mittels Wärmeleitung durch eine oder mehrere seiner Wände und dann durch die Verdampferfläche i*2 (Fig. 3) eintreten. Da das Betriebsmittel und sein Dampf sich bei einem herabgesetzten Druck in einem Gleichgewichtszustand befinden, wird durch die Zuführung von Wärme zur Kammer 18 eine Änderung · in dem Gleichgewichtszustand hervorgerufen und die Verdampfung

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des Betriebsmittels gefördert. Wenn dies eintritt, wird die latente Verdampfungswärme des Betriebsmittels auf die Wärmerohre durch die Kondensation von Dampf an den äußeren Flächen dieser Wärmerohre übertragen. Die Wärme wird dann in Achsrichtung vom Umwandler fort durch die innere Dynamik der Wärmerohre übertragen.

Somit wird durch übertragung von Wärme durch die Verdampferfläche if2 hindurch als Ergebnis einer bestimmten Temperaturdifferenz quer zur Fläche If2 bewirkt, daß Teile des Betriebsmittels IfI unverzüglich verdampfen oder sieden und dabei latente Verdampfungswärme des Betriebsmittels if1 absorbieren. Als Ergebnis des durch diese Dampfbildung hervorgerufenen Druckgradienten wird der Dampf IfI' in Bereiche niedrigeren Drucks und demzufolge niedrigerer Temperatur getrieben. Im Innern des Umwandlers 18 liegen diese Bereiche tieferen Drucks und tieferer Temperatur in der Nähe der Wärmerohre 10, die sich durch den Umwandler erstrecken. Weil die Wärmerohre 10 sich auf einer Gleichgewichtstemperatur befinden, die unter der des neu erzeugten Dampfs liegt, wird der neu erzeugte Dampf if 1' an den gerippten Außenflächen 38 der Wärmerohre 10 kondensieren und dabei die latente Verdampfungswärme des Betriebsmittels IfI an die gerippten Flächen 38 abgeben.

Somit wird die Wärme, die als Ergebnis einer endlichen Temperaturdifferenz quer zu der Verdampferfläche l\2. an die gerippten Flächen 38 übertragen wird, durch die Wärmerohrwandung 9 hindurchgeleitet, um Teile des in den Wärmerohren 10 enthaltenen Betriebsmittels 11 unverzüglich zu verdampfen oder zum Sieden zu bringen, wobei die latente Verdampfungswärme des Betriebsmittels 11 absorbiert wird. Aufgrund des durch die Dampfbildung hervorgerufenen Druckgradienten wird der Dampf 11' innerhalb der Wärmerohre 10 in Bereiche niedrigeren Drucks und demzufolge niedrigerer Temperatur getrieben.

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Diese Bereiche tieferen Drucks und tieferer Temperatur, die dem Kondensatorabschnitt ]l\. in Fig. 1 entsprechen, sind in den Kammern 26, 28, 30 und 32 der Fig. 2 angeordnet. Weil diese Kondensatorabschnitte Ί4·¹, die in den Kammern 26...32 angeordnet sind, sich auf einer Gleichgewichtstemperatur befinden, die unter der des neu erzeugten Dampfs 11' liegt, wird der neu erzeugte Dampf 11· an den Innenflächen der Wärmerohre 10 in den Bereichen 14¹ (Fig. J+) kondensieren und hierbei die latente Verdampfungswärme des Betriebsmittels 11 in diesen Kondensatorbereichen IV abgeben.

Die in den Bereichen IV der Wärmerohre abgegebene Wärme wird durch die Wandung der Wärmerohre 10 in den Bereichen IV > die in

den Kammern 26 32 liegen, hindurchgeleitet und dann von den

Außenflächen der Wärmeröhre 10 an das in den Kammern 26....32 enthaltene Betriebsmittel in äußerst wirksamer und gleichförmiger Weise übertragen.

Für den Fall, daß die Wärmequelle 3h inaktiv ist, und daß eines oder mehrere der in den Kammern 26.....32 enthaltenen Betriebsmittel sich auf einer Temperatur befinden, die von der Temperatur verschieden ist, auf der sich ein Betriebsmittel innerhalb einer der Kammern befindet, ist der Temperaturgradient ausreichend, um eine Wärmeübertragung von einem Betriebsmittel höherer Temperatur auf ein Betriebsmittel tieferer Temperatur zu bewirken bzw. begünstigen.

Die Wärmeübertragung an das in den Kammern 26.....32 der Anordnung der Fig. 2 enthaltene Betriebsmittel von den thermisch in Verbindung stehenden Wärmerohren kann durch irgendeine Ubertragungsart erfolgen, nämlich durch Leitung, Konvektion, Strahlung oder durch die Verdampfung und Kondensation eines Betriebsmittels oder durch eine Kombination hiervon. Um diese verschiedenen Arten der Wärmeübertragung zu realisieren, können die thermisch in Verbindung

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stehenden Wärmerohre unterschiedlich glatt, rauh oder irgendwie gerippt sein, um die Wärmeübertragung an die oder von der Rohroberfläche sowie von dem oder an das mit der Oberfläche in Berührung stehende Betriebsmittel zu regulieren bzw. beeinflussen.

Es ist zu beachten, daß gewisse Wärmequellen, etwa für elektrische Wärme, an den umwandler 18 angelegt werden können, indem die Heizelemente im Innern des ^ümwandlers angeordnet werden. Diese Konstruktion unterscheidet sich von der dargestellten Ausfuhrungsform, bei der die Grundwärmequelle äußerlich angelegt ist.

Es ist ersichtlich, daß der Umwandler 18 und die ihm zugeordneten zahlreichen Wärmerohre als Hilfsmittel für den thermischen Anschluß und damit für die Wärmeenergieversorgung einer Heiz-, oder Kühleinrichtung dienen kann. So gesehen ist es klar, daß die nachstehend beschriebene Ausführungsform nur eine von zahlreichen Einrichtungen darstellt, bei denen der Erfindungsgedanke ohne weiteres angewendet werden kann.

Wie nun Fig. k erkennen.läßt, können eine oder mehrere der verschiedenen Kammern die Form eines Luftkanals 26' haben, der so ausgebildet ist, daß er den Durchtritt unterschiedlicher Mengen von Luft Mf oder eines anderen geeigneten Gases durch diesen Kanal zuläßt. Diese Luft kk steht in thermischer Berührung mit der Außenfläche der Wärmerohre 10, die sich in die Kammer bzw. den Kanal 26' erstrecken. Der Zweck einer solchen Kammer ist das Anheben oder Senken der Temperatur der hindurchströmenden Luft ifif. In Verbindung mit der Kammer 26^r wird die Einrichtung ausgestattet mit Vorrichtungen für die Förderung bzw. Bewegung der Luft, die Regelung des Luftstroms, die Regelung der Temperatur und für jede andere Regelung, die zur Lösung eines besonderen Wärmeübertragungsproblems als notwendig erachtet wird.

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Eine oder mehrere der einzelnen Kammern können ein Betriebsmittel mit definiertem thermodynamischen Eigenschaften enthalten, das die Fähigkeit besitzt, Wärmeenergie zu speichern, entweder vermöge einer Temperaturerhöhung des Mittels (fühlbare Energiespeicherung) oder vermöge einer Zustandsänderung des Mittels, von fest zu flüssig oder von flüssig zu dampfförmig (latente Energiespeicherung), oder vermöge einer Kombination dieser beiden Möglichkeiten (fühlbare und latente Energiespeicherung), Diese Kammer kann als eine thermische Batterie oder eine thermische Kapazität bezeichnet werden.

Eine derartige Kammer kann die Form eines Wassertanks 30· haben, wie in Fig. k angedeutet ist. Der Zweck des Tanks 30· (zusätzlich zu der selbstverständlichen Benutzung als Tank für die Abgabe von Warmwasser für Haushaltszwecke) ist der, thermische Energie aus dem Umwandler 18 zu absorbieren und zu speichern, die nicht sogleich von der Hausanlage für Warmwasser und Warmluft ausgenutzt wird. Vom Tank 30' absorbierte Energie ist für sofortigen Verbrauch verfügbar, entweder sogleich als Warmwasser im Haushalt, oder vermöge der thermisch in Verbindung stehenden Wärmerohre sogleich als Warmluft für die häusliche Heizung, ohne Rücksicht darauf, ob die Grundwärmequelle in Betrieb ist oder nicht.

Eine oder mehrere der verschiedenen Kammern können, eine geometrische Anordnung bzw. Gestaltung aufweisen, die ähnlich und auswechselbar mit oder verwendbar anstelle von dem Generator eines Absorptionskältesystems von geeigneter Form ist, um von der Energie gespeist zu werden, die von der Kammer abgegeben werden kann. Dies bedeutet nicht, daß eine Absorptionsgefrieranlage Teil der vorliegenden Erfindung sein soll; doch kann eine geeignet bemessene Absorptionsgefrieranlage durch eine zweckentsprechend ausgebildete Kammer nach der Energie versorgt werden.

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Eine derartige zweckmäßig ausgebildete Kammer 28 oder 32 nach der Erfindung, die als Energiequelle für eine geeignet bemessene Absorptionsanlage dient, kann als Hilfsmittel angesehen werden, um Wärmeenergie aus einer zweiten Kammer, die ein integrierender Teil der Erfindung ist, zu entnehmen, indem die Verdampferschlange der Absorptionsgefrieranlage unmittelbar an dieser Kammer angebracht wird. Biese Kammer kann zur Kühlung von Luft, V/asser oder eines anderen Mediums herangezogen werden, das in der vorliegenden Einrichtung verwendet wird.

Die Gebäudeheizeinrichtung gemäß Fig. k und 5 schließt eine Ableitung if6 für· Verbrennungsprodukte aus der Wärmequelle 3 V ein. Außerdem ist ein Schornstein ^8 angegeben.

Der Abzug 46 empfängt die Verbrennungsprodukte durch den Umfangskanal 50.(Fig. 3). Warmwasser für den Hausbedarf wird, wie oben erwähnt, vom Tank 30' (Fig. k) geliefert. Ein Luftaustauschsystem und Leitungsnetzwerk zur Luftklimatisierung in Gebäuden weist einen ümlaufkanal 52 für die Abgabe von Luft und die Rückführung von Luft auf. Die Luft wird durch ein Gebläse 3k an einem Abschnitt der Warmluftkammer 26' vorbei in Umlauf gesetzt. Die erhitzte Luft wird so durch die Förderleitung 56 den einzelnen Raumheizöffnungen 58 zugeführt.

Ein Beispiel für einen Betriebsumlauf ist folgendes. Das Wasser im Tank 30· wird anfangs auf 200⁰F (93,3°C) erhitzt. Das Gebläse 3k läuft mit einer langsamen Geschwindigkeit, die ausreicht, eine Wärmemenge vom Umwandler 18' durch den Luftkanal 56 den einzelnen Raumöffnungen 58 zuzuführen, wodurch Wärmeverluste im Haus kompensiert werden. Bei abgestellter Wärmequelle $k* wird der Heizluft kk Wärme vom Tank 30' über das Heizrohr 10 zugeführt. Das bedeutet, daß die Warmluftkammer 26' Wärmeenergie abzieht, die in der Warmwasserkammer 30· gespeichert ist,

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Dies veranschaulicht in einer Form die oben beschriebenen Betterieeigenschaften der Kammer 30'.

Wenn die Temperatur in der Kammer 30· auf 1^0⁰F (60⁰C) gesunken ist, wird durch einen Aquastat bzw. einen Wassertemperaturregler 62 die Wärmequelle 3V wieder in Betrieb gesetzt. Diese Wärmequelle liefert Wärme durch den Umwandler 18· sowohl für die Luft- als auch für die Wasserversorgung der vorliegenden Hausanlage. (Die Wärmequelle 3k* bleibt in Betrieb, bis das Wasser im Tank 30« eine Temperatur von 200⁰F (93,3°C) erreicht, worauf der Aquastat 62 die Wärmequelle abstellt). Um einen Ausgleich für den häufig veränderlichen Wärmebedarf in den ßäumen zu schaffen, ist ein Baumthermostat 6k vorgesehen, der die Geschwindigkeit des Gebläses 54- regelt, wodurch die Geschwindigkeit bzw. das Ausmaß der Wärmeabführung aus der Kammer 26' zur übertragung an die Bäume reguliert wird. Um die schwankende Temperatur des im Tank gespeicherten Wassers auszugleichen, die sich in gewissen Zeitabständen zwischen HO⁰F (60⁰C) und 200⁰F (93,3°C) bewegt, kann ein der Temperierung dienendes Ventil 66 verwendet werden, um das häusliche Warmwasser auf einer spezifischen Temperatur, etwa UfO⁰F (60⁰C) zu halten. Ein derartiges Ventil enthält einen Wärmefühler, der das Mischungsverhältnis von Heißwasser- und Kaltwassereinlaß reguliert, um eine konstante Ausgangstemperatur zu erhalten.

Dem Durchschnittsfachmann dürfte einleuchten, daß eine geeignete Luftfiltervorrichtung in der Luftrückführung 52 vorgesehen werden kann. Ebenso kann eine Anfeuchtvorrichtung in dem Luftzuführungsstrang 56 vorgesehen werden. Außerdem dürfte klar sein, daß die schematische Anordnung der Fig. 2 der Wärmeübertragung für eine zentralisierte Luftklimatisierungsanlage unter Verwendung der vorerwähnten Absorptionsgefriereinrichtung dienen kann.

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Während hier bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, sind selbstverständlich mannigfache Abweichungen von dem Offenbarten durch Änderungen und Abwandlungen in Einzelheiten der Ausbildung und in Form und Anordnung der Teile denkbar, ohne erfinderisches Zutun und ohne damit von dem Grundgedanken und den Lösungsprinzipien der Erfindung abzuweichen.

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Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zur Wärmeübertragung,
dadurch gekennzeichnet,

daß ein Wärmeumwandler (18) in der Nähe einer Wärmequelle (34) angeordnet ist und in thermischer Berührung mit einem Wärmerohr (10, 20) steht, das andererseits mit einer ersten Kammer (26), die ein Betriebsmittel mit definierten Wärmeübertragungseigenschaften enthält, thermisch gekoppelt ist, derart, daß ein gleichförmiger Wärmeübergang von der Wärmequelle an das Betriebsmittel stattfindet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Wärmeumwandler (18) in einem Gehäuse als Betriebsmittel eine Flüssigkeit (41) und deren Dampf (41')» die miteinander im wesentlichen im Gleichgewicht stehen, enthält und an den Innenseiten des Gehäuses Verdampfungsflächen (42), die von dem Betriebsmittel benetzt werden, aufweist, während das Wärmerohr (10) in den mit dem Umwandler in thermischer Berührung stehenden Bereichen an den Außenseiten Kondensationsflächen (38) aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungsflächen (42) zur Erzeugung eines erhöhten Wärmegradienten von der Wärmequelle zu der der Wärmequelle zunächst liegenden Innenseite des Umwandlergehäuses eingerichtet ist.

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if. Einrichtung nach Anspruch 3 >

dadurch gekennzeichnet,

daß der Wärmeumwandler (18) eine an der Innenseite des Umwandlergehäuses angebrachte und in Berührung mit den Verdampf ungs flächen (ij-2) stehende Dochtstruktur aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3>
dadurch gekennzeichnet,

daß die Wärmequelle ein im Innern des Wärmeumwandlers angeordnetes elektrisches Heizelement aufweist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß das umwandlergehäuse unter einem Teilvakuum, ausschließlich in Partialdrücken des Betriebsmittels gemessen, verschlossen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr eine Mehrzahl von Wärmerohreinheiten (20, 22, 2lf, 25) umfaßt.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, · dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeumwandler (18) Hilfsmittel für ein nichtkapillares Pumpen des Betri'ebsmittels zu hinsichtlich des Schwerkraftfeldes höher liegenden Bereichen einschließt.

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9. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine ein zweites Betriebsmittel mit definierten Wärmeübertragungseigenschaften enthaltende zweite Kammer (28) vorgesehen ist, die mit der ersten Kammer (26) durch das Wärmerohr thermisch verbunden ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß ein Hilfswärmer ohr (33) das in einer zweiten Kammer enthaltene Betriebsmittel mit definierten Wärmeübertragungseigenschaften thermisch mit der ersten Kammer verbindet.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 >
dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Betriebsmittel sich auf einer tieferen Temperatur als das erste Betriebsmittel befindet, derart, daß ein Temperaturgradient zwischen der ersten Kammer (26) und der zweiten Kammer (28) und damit ein Wärmeübergang zwischen den Kammern unabhängig von dem Betriebsverhalten der Wärmequelle (3*f' ) besteht.

12. Einrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme der ersten Kammer (26) als fühlbare oder als latente Wärme entzogen wird.

13. Einrichtung nach Anspruch 12,
dadurch geken nz eichnet ,

daß ein Wärmefühler in einer der Kammern und eine von dem Wärmefühler gesteuerte Regelvorrichtung für die Wärmequelle vorgesehen sind.

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Ή, Einrichtung nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet,

daß das erste Betriebsmittel Wasser und das zweite Betriebsmittel Luft ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jedes von mehreren Wärmerohren (10) in einer besonderen senkrechten Ebene angeordnet ist, die die senkrechte Ebene jedes der anderen Wärmerohre nicht schneidet.

16. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle eine exotherme chemische Wärmequelle ist.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,

daß der Wärmeumwandler und die Wärmequelle am Umfang von einem Schornstein- bzw. Abzugsschacht (50) umgeben sind.

18. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet _m,

daß das Hilfsmittel für ein nichtkapillares Pumpen des Betriebsmittels einen Perkolatorkanal (36) aufweist, der einerseits an der der Wärmequelle (3V) zunächst liegenden Innenfläche des Wärmeumwandlers einen in ein Betriebsflüssigkeitsvolumen (lf1) abgetauchten Kollektor (37) besitzt und andererseits, in höheren Bereichen des Wärmeumwandlers in mehrere Verzweigungen endet.

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-Zk-

19. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,

daß die Kondensationsfläche (38) der Wärmerohre eine Vielzahl von radial abstehenden Rippen (14¹) aufweist.

20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,

daß die Hippen (lif¹) parallel zueinander und so dicht nebeneinander angeordnet sind, daß zwischen ihnen die Bildung eines Meniskus und damit das Phänomen der Kondensation als herabfallender Film ermöglicht wird.

21. Einrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Wärmequelle (5*f) der zweiten Kammer (26·) zunächst vorgesehen ist.

22. Einrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Kammer einen Generator einer Absorptionskälteanlage aufweist.

23. Einrichtung nach Anspruch 22, · dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Kammer vorgesehen ist, die eine Verdampferschlange für die Absorptionskälteanlage und ein drittes Betriebsmittel mit definierten Wärmeübertragungseigenschaften enthält, wobei die Verdampferschlange von dem Betriebsmittel umgeben ist, derart, daß bei Vorhandensein eines günstigen Temperaturgradienten ein Wärmeübergang von dem Betriebsmittel an die Verdampferschlange zustande kommt.

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Einrichtung nach Anspruch 1 if,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Betriebsmittel des Wärmeumwandlers (I8¹) Wasser und das Betriebsmittel des Wärmerohrs (10¹) ebenfalls Wasser ist.

25. Einrichtung nach Anspruch 1 if,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Betriebsmittel des Wärmeumwandlers von dem Betriebsmittel des Wärmerohrs verschieden ist.

ReNeu/Pi.

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