DE3149208A1

DE3149208A1 - "verfahren zur steuerung eines waermerohres"

Info

Publication number: DE3149208A1
Application number: DE19813149208
Authority: DE
Inventors: Michio Ibaragi Chikami; Yasuhiro Kobe Hyogo Fukaya; Eiji Okamoto
Original assignee: Gadelius KK
Current assignee: Gadelius KK
Priority date: 1980-12-11
Filing date: 1981-12-11
Publication date: 1982-06-24
Also published as: DE3149208C2; JPS5798791A

Description

Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Wärmerohres.

25 Bei den üblichen Anwendungsfällen von Wärmerohren werden die vom Wärmerohr übertragene Wärmemenge, die Temperatur der wärmeübertragenden Oberfläche und der Innendruck selbsttätig . durch die Temperatur und die anderen thermischen Zustandsgrößen der zu erwärmenden oder zu kühlenden Bauteile und Vor-

30 richtungen bestimmt. Dies heißt mit anderen Worten, daß die Temperatur und die anderen Zustandsgrößen dieser Vorrichtungen und Bauteile die Leistung des Wärmerohres als Wärmeübertragung selement begrenzen.Dieses passive Verhalten des Wärmerohres ist bisweilen für seinen Einsatz nachteilig. Um dieses

35 Problem zu beheben, sind steuerbare Wärmerohre entwickelt wor-

Dmitschn Bank (München) Kto. 51/61070

Dwirfnar Bank (Miinchen) KtO 3939

Postschook (Münchon) Kto. 670-43-804

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den, bei denen üblicherweise zwei Bauarten unterschieden werden. Bei der einen Bauart wird die nutzbare Fläche des Kondensatorabschnittes mittels eines nicht kondensierbaren Gases gesteuert, und bei der anderen Bauart wird der Dampfstrom des Arbeitsmittels zwischen dem Verdampferabschnitt und dem Kondensatorabschnitt gesteuert. Diese steuerbaren Wärmerohre sind jedoch teuer und können nur in einem verhältnismäßig begrenzten Temperaturbereich betrieben werden. Beim herkömmlichen Vorgehen kann somit wegen seines passiven Verhaltens das gewöhnliche, nicht steuerbare Wärmerohr und wegen seiner hohen Kosten und seines begrenzten Arbeitstemperaturbereiches das steuerbare Wärmerohr nicht zufriedenstellend als Wärmeübertragungselement in industriellen Wärmeaustauschern eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zur Steuerung von Wärmerohren zu schaffen, das ihre praktische Anwendbarkeit nicht beeinträchtigt. Das zu schaffende Verfahren soll es erleichtern, Wärmerohre in Wärmeaustauschern für die Rückgewinnung von Abwärme einzusetzen, da es sich bei dieser Abwärmerückgewinnung um eine der wichtigsten Möglichkeiten zum Energieeinsparen handelt.

Die genannte Aufgabe' wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung eines steuerbaren Wärmerohres, das eine Wärmeübertragungszone und eine Steuerzone aufweist, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, daß zwischen der Wärmeübertragungszone und der Steuerzone ein Kanal ausgebildet ist, durch den nur der Dampf des Arbeitsmittels, nicht jedoch das Kondensat des Arbeitsmittels strömt, und daß zur Steuerung der in der Wärmeübertragungszone vorhandenen Arbeitsmittelmenge die Temperatur der Steuerzone mittels einer externen Wärmequelle gesteuert wird, so daß dadurch zumindest eine der Kenngrößen Wärmeübertragungskapazität der Wärmeübertragungszone, Temperatur der Wärmeübertragungszone und Innen-

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druck des Wärmerohres gesteuert wird. Ferner wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung eines geneigten gewöhnlichen Wärmerohres, dessen oberer Bereich eine Wärmeübertragungszone ist und dessen unterer Bereich eine Steuerzone ist, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, daß zur Steuerung der in der Wärmeübertragungszone vorhandenen Arbeitsmittelmenge die Temperatur der Steuerzone mittels einer externen Wärmequelle gesteuert wird, so daß dadurch zumindest eine der Kenngrößen Wärmeübertragungskapazität der Wärmeübertragungszone, Temperatur der Wärmeübertragungszone und Innendruck des Wärmerohres gesteuert wird.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Figuren 1 bis 5 der Zeichnungen zeigen schematisch typische Ausführungsbeispiele von Wärmerohren, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren angewendet ist.

Figur 1 zeigt ein gesteuertes Wärmerohr, bei dem die Steuerzone mit der Wärmeübertragungszone unter einem Winkel verbunden ist. Das in Figur 1 dargestellte Wärmerohr umfaßt einen Verdampferabschnitt 1, einen adiabatischen Abschnitt 2, einen Kondensatorabschnitt' 3, eine Wärmeübertragungszone 4, einen weiteren adiabatischen Abschnitt 5, einen Verdampfungs-Kondensations-Abschnitt 6 und eine Steuerzone 7. Die Wärmeübertragungszone 4 ist bezüglich einer waagerechten Ebene um einen Winkel (α) 8 geneigt, und die Steuerzone 7 ist bezüglich der waagerechten Ebene um einen Winkel (ß) 9 geneigt. Der Winkel (α) 8 liegt im Bereich von 0 bis 90° und wird entsprechend den speziellen Einsatzbedingungen des Wärmerohres angemessen gewählt. Der Winkel (ß) 9 beträgt im praktischen Einsatz in der Regel 10° oder mehr.

Figur 2 zeigt ein gesteuertes Wärmerohr, bei dem sich die

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Steuerzone 7 am oberen Ende des Wärmerohres befindet. Die Steuerzone 7 ist mit einer Flüssigkeitstrennwand 10 versehen. Figur 3 zeigt eine Abwandlung des Wärmerohres gemäß Figur 2, bei dem die Steuerzone 7 am unteren Ende des Wärmerohres angeordnet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist die Flüssigkeitstrennwand 10 im Verdampferabschnitt 1 angeordnet. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 2 und 3 sind der Düsendurchmesser Ca) und die Düsenlänge (1) der Flüssigkeitstrennwand 10 unter Berücksichtigung der Abmessungen des Wärmerohres und der Menge des im Wärmerohr eingeschlossenen Arbeitsmittels festgelegt. Im praktischen Einsatz beträgt der Winkel (α) 8, um den das Wärmerohr bezüglich der horizontalen Ebene geneigt ist, 10° oder mehr.

Die Konstruktion der in den Figuren 1 und 2 gezeigten·Wärmeübertragungszone 4 stimmt mit der Ausbildung dieser Zone bei einem herkömmlichen Wärmerohr überein. Diese Wärmeübertragung^- zone kann mit einem Docht versehen sein oder nicht, und jede beliebige Dochtform kommt in Frage. Mit Ausnahme der Flussigkeitstrennwand 10 stimmt auch die Konstruktion der in Figur 3 gezeigten Wärmeübertragungszone mit der eines herkömmlichen Wärmerohres überein. Der adiabatische Abschnitt 5 der Steuerzone -7 der Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 1 bis 3 weist vorzugsweise· keinen Docht auf; das Vorhandensein eines Dochtes würde jedoch die praktische Anwendbarkeit nicht beeinträchtigen, da gewöhnliche Dochte keine große Kapillarwirkung haben. Der Verdampfungs-Kondensations-Abschnitt 6 der Steuerzone 7 kann mit einem Docht versehen sein oder auch nicht, und wenn ein Docht benutzt wird, kommt es auf dessen Form nicht an. Bezüglich des Dochtes gilt für den Verdampfungs-Kondensations-Abschnitt 6 das gleiche wie für die Wärmeübertragungszone 4. Wenn die Steuerzone 7 und die Wärmeübertragungszone 4 gleichen Rohrdurchmesser aufweisen, beträgt die Länge der Steuerzone 7 1/5 bis 1/2 der Länge der Wärmeüber-

tragungszone. ■

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Figur 4 zeigt ein gesteuertes Wärmerohr, bei dem der Verdampfungs-Kondensations-Abschnitt 6 der Steuerzone 7 mit einem Drahtgewebe und anderen Materialien gefüllt ist, die eine große Flüssigkeitsspeicherkapazität haben. Das Wärmerohr gemaß Figur 4 weist den Verdampferabschnitt 1, den adiabatischen Abschnitt 2, den Kondensatorabschnitt 3, die Wärmeübertragungszone 4, den weiteren adiabatischen Abschnitt 5, den Verdampfungs-Kondensations-Abschnitt 6 und die Steuerzone auf. Das Wärmerohr ist bezüglich der waagerechten Ebene um den Winkel (α) 8 geneigt. Zum Wärmerohr gehören ferner ein Einsatz 11 mit einer großen Flüssigkeitsspeicherkapazität und eine Strömungsblende 12.

Figur 5 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles gemäß Figur 4, bei der ein Teil des Verdampferabschnittes Voder der gesamte Verdampferabschnitt 1 der Wärmeübertragungszone 4 mit dem Einsatz 11 gefüllt ist. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 4 und 5 liegt der Winkel (α) 8 im Bereich von 0 bis 90°. Die Menge, die Form und der Werkstoff des Einsatzes 11, die Form und der Werkstoff der Strömungsblende 12 und die Form des Dampfkanals im Einsatz können entsprechend den speziellen Anforderungen bei der Herstellung und beim Einsatz des Wärmerohres auf geeignete Weise festgelegt sein. Wenn die Steuerzone und die Wärmeübertragungszone gleichen Rohrdurchmesser haben, liegt die Länge der Steuerzone vorzugsweise zwischen 1/5 und 1/2 der Länge der Wärmeübertragungszone.

Die Wärmeübertragungskapazität und andere Kenngrößen eines gesteuerten Wärmerohres können gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren auf folgende Weise gesteuert werden. Es sei für jedes der Ausführungsbeispiele angenommen, daß die Temperatur der Steuerzone 7 höher als die des Kondensatorabschnittes der Wärmeübertragungszone 4 und niedriger als die des Verdampfungsabschnittes 1 der Wärmeübertragungszone 4 ist. Fer-

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ner sei angenommen, daß eine bestimmte Menge Arbeitsmittel in der Wärmeübertragungszone 4 und der Steuerζone 7 vorhanden ist. Der im Verdampferabschnitt 1 erzeugte Dampf des Arbeitsmittels wird nur im Kondensatorabschnitt 3 verflüssigt, und die kondensierte Flüssigkeit bewegt sich zum Verdampferabschnitt 1, so daß dadurch eine Wärmeübertragung zwischen dem Verdampferabschnitt 1 und dem Kondensatorabsehnitt 3 erfolgt. In der Steuerzone 7 steht das kondensierte flüssige Arbeitsmittel im Gleichgewicht mit dem Dampf, so daß die in der Steuerzone 7 vorhandene Menge des Arbeitsmittels weder zunimmt, noch abnimmt. Dies heißt mit anderen Worten, daß zwischen der Wärmeübertragungszone 4 und der Steuerzone 7 keine Bewegung des Arbeitsmittels erfolgt und daß sich die Wärmeübertragungszone des Wärmerohres im gleichen .Zustand wie bei einem herkömmlichen Wärmerohr befindet» Wenn die Wärmeübertragungskapazität in der Wärmeübertragungszone 4 verringert werden soll, wird die Steuerzone 7 mit Hilfe einer externen Wärmequelle gekühlt. Wenn sich die Temperatur der Steuerzone 7 der Temperatur des Kondensatorabschnittes 3 nähert, wird ein Teil des Dampfes, der im Verdampferabschnitt 1 erzeugt worden ist, in der Steuerzone 7 kondensiert. Dieses kondensierte Arbeitsmittel bewegt sich nicht zum Verdampferabschnitt 1 zurück,und die entsprechende Verringerung der Menge des Arbeitsmittels in der Wärmeübertragungszone 4 führt zu einer Verringerung der Wärmeübertragungskapazität. Wenn die Temperatur der Steuerzone 7 sogar unter die des Kondensatorabschnittes 3 gesenkt wird, bewegt sich das Arbeitsmittel aus der Wärmeübertragungszone schnell zur Steuerzone, und wenn diese schnelle Bewegung des Arbeitsmittels in nur einer Richtung andauert, verliert die Wärmeübertragungszone 4 das Arbeitsmittel vollständig, so daß die Wärmeübertragungszone nicht länger als Wärmerohr arbeiten kann. Auf gleiche Weise kann vorgegangen werden, um die Temperatur des Verdampferabschnittes 1 zu erhöhen, die Temperatur des Kondensatorabschnittes 3 zu verringern oder eine Erhöhung des Innendruckes des Wärmerohres

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zu verhindern.

Die Beschränkung der Wärmeübertragungskapazität kann beseitigt werden, indem die Steuerzone 7 mittels einer externen Wärmequelle erwärmt wird. Wenn sich die Temperatur der Steuerzone 7 der Temperatur des Verdampferabschnittes 1 nähert, kondensiert im Kondensatorabschnitt 3 nicht nur der Dampf des Arbeitsmittels, der im Verdampferabschnitt 1 erzeugt worden ist, sondern auch der Dampf, der in der Steuerzone 7 erzeugt worden ist. Dies hat zur Folge, daß die Menge des Arbeitsmittels in der Wärmeubertragungszone 4 zunimmt und daß die Wärmeübertragungskapazität auf ihren alten Wert zurückgebracht wird. Das Arbeitsmittel bewegt sich aus der Steuerzone 7 zur Wärmeübertragungszone 4 schneller, wenn die Temperatur_der Steuerzone 7 höher als die der Verdampferzone 1 gemacht wird. Auf die gleiche Weise kann die Temperatur der Verdampferzone 1 verringert werden, die Temperatur der Kondensatorzone 3 erhöht werden oder die Begrenzung der Zunahme des Innendruckes des Wärmerohres beseitigt werden. Indem die Temperatur der Steuerzone 7 auf einem konstanten Wert gehalten wird, kann die übertragene Wärmemenge, die Temperatur der Wärmeübertragungszone oder der Innendruck des Wärmerohres innerhalb eines vorgegebenen. Bereiches gehalten werden, und zwar trotz Änderungen der Temperatur und anderer thermischer Zustandsgrößen der zu erwärmenden oder zu kühlenden Bauteile und Vorrichtungen; es wird jedoch hier nicht ausführlich erläutert, wie vorzugehen ist, um diese Steuerung zu erreichen, da dies für den Fachmann in Anbetracht der vorstehenden Beschreibung auf der Hand liegt.

Beispiele für die externe Wärmequelle zur Steuerung der Temperatur der Steuerzone 7 sind elektrische Heizvorrichtungen, Verbrennungsgase, Dampf, Wasser und Luft sowie das warme oder kalte Fluid, das von der Wärmeübertragungszone gekühlt oder erwärmt werden soll. Um auch gewöhnlichen Wärmerohren, d.h.

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an sich nicht gesteuerten Wärmerohren, eine Steuerfunktion zu geben, kann die Erfindung auch auf solche gewöhnlichen Wärmerohre angewendet werden. Ein Beispiel dafür ist in Figur 6 gezeigt. Das in Figur 6 gezeigte Wärmerohr ist bezüglich der waagerechten Ebene geneigt angeordnet und an seinem unteren Ende mit der Steuerzone 7 sowie an seinem oberen Ende mit der Wärmeübertragungsζone 4 versehen. Der Winkel (α) 8, um den das Wärmerohr bezüglich der waagerechten Ebene geneigt ist, liegt zwischen 2 und 90°, vorzugsweise zwischen 5 und 30°. Anders als das Wärmerohr gemäß Figur 3 oder 5, ist das Wärmerohr gemäß Figur 6 so ausgebildet, daß eine gewisse Menge der kondensierten Flüssigkeit zwangsläufig aus der Wärmeübertragungszone in die Steuerzone strömt. Damit das Wärmerohr im Gleichgewichtszustand arbeiten kann, muß daher in der Steuerzone .etwas kondensiertes Arbeitsmittel verdampft werden und muß der sich ergebende Dampf im Kondensatorabschnitt verflüssigt werden. Dies heißt mit anderen Worten, daß mehr Wärme benötigt wird, um dem gewöhnlichen Wärmerohr die Steuerfunktion zu geben, als Wärme zur Steuerung der steuerbaren Wärmerohre benötigt wird. Mit Ausnahme der Notwendigkeit, die Temperatur der Steuerzone höher als bei steuerbaren Wärmerohren zu erhalten, weil eher kondensiertes Arbeitsmittel in die Steuerzone strömt, kann das gewöhnliche Wärmerohr ansonsten auf gleiche Weise gesteuert werden und mit der gleichen Steuerfunktion versehen werden, so daß es auf gleiche Weise wie ein steuerbares Wärmerohr für industrielle Anwendungsfälle brauchbar ist.

Es wird ein Verfahren zur Steuerung eines steuerbaren Wärmerohres beschrieben, das eine Wärmeübertragungszone und eine Steuerzone aufweist. Zwischen der Wärmeübertragungszone und der Steuerzone ist ein Kanal ausgebildet, durch den nur der Dampf des Arbeitsmittels, nicht jedoch das Kondensat des Ar-

beitsmittels strömt. Zur Steuerung der in der Wärmeübertra-

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1 gungszone vorhandenen Arbeitsmittelmenge wird die Temperatur der Steuerzone mittels einer externen Wärmequelle qestpuert, so daß dadurch zumindest eine der Kenngrößen Wärmeübertragungskapazität der Wärmeübertragungszone, Temperatur der

5 Wärmeübertragungszone und Innendruck des Wärmerohres gesteuert wird. Ferner wird ein Verfahren zur Steuerung eines gewöhnlichen Wärmerohres beschrieben.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Steuerung eines steuerbaren Wärmerohres, das eine Wärmeubertragungszone und eine Steuerzone aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der Wärmeubertragungszone und der Steuerzone ein Kanal ausgebildet ist, durch den nur der Dampf des Arbeitsmittels, nicht jedoch das Kondensat des Arbeitsmittels strömt, und daß zur Steuerung der in der Wärmeübertragungszone vorhandenen Arbeitsmittelmenge die Temperatur der Steuerzone mittels einer externen Wärmequelle gesteuert wird, so daß dadurch zumindest eine der Kenngrößen Wärmeübertragungskapazität der Wärmeübertragungszone, Temperatur der Wärmeübertragungszone und Innendruck des Wärmerohres gesteuert wird.
2. Verfahren zur Steuerung eines geneigten gewöhnlichen Wärmerohres, dessen oberer Bereich eine Wärmeübertragungszone ist und dessen unterer Bereich eine Steuerzone ist, dadurch gekennzeichnet,

Deutsche Bank (München) Kto. 51/61070

Dresdner Bank (München) Kto. 3939

Postscheck (München) Kto. 670-43-804

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daß zur Steuerung der in der Wärmeübertragungszone vorhandenen Arbeitsmittelmenge die Temperatur der Steuerzone mittels einer externen Wärmequelle gesteuert wird, so daß dadurch zumindest eine der Kenngrößen Wärmeübertragungskapazität der Wärmeübertragungszone, Temperatur der Wärmeübertragungszone und Innendruck des Wärmerohres gesteuert wird.