DE3237118C2

DE3237118C2 - Wärmeübertragereinheit

Info

Publication number: DE3237118C2
Application number: DE19823237118
Authority: DE
Inventors: Jurij Fedorovi&ccaron; Sverdlovsk Gerasimov; Valerij Michailovi&ccaron; Kiseev; Jurij Folievi&ccaron; Maidanik
Original assignee: OTDEL FIZIKO-TECHNICESKICH PROBLEM ENERGETIKI URAL'SKOGO NAUCNOGO CENTRA AKADEMII NAUK; Ural'skij Gosudarstvennyj Universitet Imeni Am Gor'kogo Sverdlovsk Su
Current assignee: OTDEL FIZIKO-TECHNICESKICH PROBLEM ENERGETIKI URAL'SKOGO NAUCNOGO CENTRA AKADEMII NAUK; Ural'skij Gosudarstvennyj Universitet Imeni Am Gor'kogo Sverdlovsk Su
Priority date: 1982-10-07
Filing date: 1982-10-07
Publication date: 1986-10-16
Also published as: DE3237118A1

Abstract

Die Wärmeübertragereinheit enthält eine Verdampfungskammer (1) mit einem koaxial angeordneten Verdampfer (3) aus kapillarem Material, der mit einer Wärmequelle in thermischem Kontakt steht, und einen axialen Längskanal (7) mit einer Quertrennwand (14) aus kapillarem Material besitzt, eine Dampfstrahlpumpe (13) und eine Wärmeaustauschkammer (4). In der Verdampfungskammer (1) sind zwei stirnseitige Hohlräume (5 und 6) vorgesehen. Die Trennwand (14) grenzt an die Stirnfläche des Verdampfers (3) an, weist Durchgangsbohrungen (16) und einen diametralen Kanal (11) auf, der mit der Düse (12) der Dampfstrahlpumpe und mit einem Dampfsammler (10) verbunden ist. Der Sammler (10) steht mit Dampfableitungskanälen (9) in Verbindung, welche an der Außenfläche des Verdampfers (3) ausgeführt sind und zwischen zylindrischen Bünden (22) liegen. Die den Wärmeträger mit vermindertem Wärmeinhalt enthaltende Zone der Wärmeaustauschkammer (4) ist mittels einer Rohrleitung (20) mit dem Saugraum der Dampfstrahlpumpe (13) verbunden, während die den Wärmeträger mit erhöhtem Wärmeinhalt enthaltende Zone mittels einer Rohrleitung (21) mit dem Druckraum (15) der Pumpe (13) verbunden ist.

Description

gekennzeichnet durch

— zwei stirnseitige Hohlräume (5 und 6) in der Verdampfungskammer (1), die beide durch die Stirnfläche des Verdampfers (3) und die Wände der Verdampfungskammer (1) begrenzt sind, wobei die dazwischenliegende Trennwand (14) an die der Wärmetauschkammer (4) zugewandten Stirnfläche des Verdampfers (3) angrenzt,

— Durchgangsbohrungen (16) in der Trennwand (14) zur Verbindung der stirnseitigen Hohlräume (5 und 6) untereinander,

— einen diametralen Kanal (11), der mit der in der Trennwand (14) angebrachten Düse (12) der Dampfstrahlpumpe (13) und mit einem Dampfsammler (10) verbunden ist,

— Dampfableitungskanäle (9) in Form von Längsrillen an der Außenfläche des Verdampfers (3), die in den Dampfsammler (10) münden,

— glatte Ringbünde (22), die die Dampfableitungskanäle (9) an der Außenfläche des Verdampfers (3) an dessen Stirnseiten abschließen und so Dampfüberströmungen in die stirnseitigen Hohlräume (5 und 6) verhindern,

— Anordnung der Austrittsöffnung (23) der ersten Rohrleitung (20) im axialen Längskanal (7) des Verdampfers.

Es sind hocheffektive Wärmeübertragereinheiten, insbesondere Wärmerohre bekannt, die vakuumdichte, meist aus Metall bestehende Gefäße darstellen, deren Innenfläche mit einer Schicht kapillaren Materials bedeckt ist, das mit einer Flüssigkeit — dem Wärmeträgermittel — durchtränkt ist

Bei der Wärmezufuhr an einem Ende des Wärmerohres verdampft die Flüssigkeit, indem sie die Verdampfungswärme aufnimmt, und der Dampf bewegt sich unter der Wirkung einer Druckdifferenz, die sehr geringfügig sein kann, zum anderen, zu kühlenden Ende des Wärmerohres, wo er kondensiert, während die Kondensationswärme durch die Rohrwand auf das umgebende Medium übertragen wird. Das kondensierte Wärmeträgermittel wird in das kapillare Material aufgesaugt und bewegt sich durch die Wirkung des Kapillardrucks zurück in die Verdampfungszone. Die Hauptgleichung, die die Arbeit des Wärmerohres beschreibt, ist die Bilanz der Drücke, die als

AP_C > AP, + AP,
notiert werden kann, worin bedeuten:

APc — Kapillardruck, N/m²;

AP/ — Druckgefälle in der Flüssigkeit, die sich im kapillaren Material bewegt, N/m²;

APv — Druckgefälle im Dampf in dem Dampfkanal, N/m².

Der Kapillardruck für Kapillarkanäle zylindrischer Form kann nach der Laplace-Formel bestimmt werden

AP₁. = — COS0, r,

worin bedeuten:

σ — Oberflächenspannung, N/m;
r_c — Radius der Kapillare, m;

Θ — Randwinkel an der Grenze Festkörper-Flüssigkeit, Grad.

Diese Formel ist richtig, wenn die Flüssigkeit-Dampf-Grenzfläche in der Kondensationszone eben ist.

Falls die Kapillarkanäle eine komplizierte Form haben, wird anstelle des Radius der Kapillaren der Begriff des effektiven Radius eingeführt.

Das Druckgefälle in der Flüssigkeit, die sich über den so Kapillarkanal mit dem Radius r_c bewegt, kann mit der Formel

55 nr_c-p,
beschrieben werden, worin bedeuten:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Wärmetechnik, insbesondere auf Wärmeübertragereinheiten.

Am erfolgreichsten kann die Erfindung in Kühlsystemen für funkelektronische Einrichtungen angewendet werden, die an Objekten installiert sind, welche während des Betriebs ihre Lage im Massenkräftefeld, darunter auch im Schwerefeld, auf verschiedene Weise ändern oder der Einwirkung von nach Größe und Richtung veränderlichen Trägheitskräften unterworfen werden.

G - V -

L -

Massendurchsatz der Flüssigkeit, kg/s;
Koeffizient der dynamischen Viskosität, Ns/

effektive Länge des Wärmerohres, m:
Pi — Flüssigkeitsdichte, kg/m³.

Wenn die Bewegung des Dampfes im Dampfkanal einen laminaren Charakter hat, so kann für die Berechnung von APy dieselbe Formel benutzt werden. Für den turbulenten Strömungszustand des Dampfes, der häufiger anzutreffen ist, ist die Schreibweise der Formel für

die Berechnung von JP₁ beträchtlich komplizierter.

Die Gleichung (1) ist im allgemeinen Fall dann richtig, wenn die Wirkung der Massenkräfte auf das Wärmeträgermittel im Wärmerohr vernachlässigt werden kann, beispielsweise dann, wen es horizontal im Schwerefeld orientiert und sein Durchmesser nicht groß ist.

Für ein Wärmerohr, das unter einem gewissen Winkel φ zum Horizont liegt, ist in die Gleichung (1) ein Glied ±pig L sin φ einzufügen, worin /?/die Flüssigkeitsdichte, kg/m³ und g die Fallbeschleunigung, m/s², bedeuten. Es ist offensichtlich, daß, wenn sich die Verdampfungszone des Wärmerohres oberhalb der Kondensationszone befindet, das zusätzliche Glied sich in die Gleichung (1) mit dem Vorzeichen (+) eingliedert, und somit wachsen die Druckverluste im Wärmerohr mit der Vergrößerung von sin φ und der Länge L schroff an. Deshalb werden die Möglichkeiten der Wärmerohre — der Wärmetransportabstand und der Wärmefluß — stark begrenzt, besonders im Niedertemperaturbereich, der für die Arbeit der Elemente der funkelektronischen Einilchtungen charakteristisch ist, weil in diesem Fall Niedertemperaturwärmeträger verwendet werden müssen, welche verhältnismäßig geringe Oberflächenspannungen besitzen, von denen die Höhe des Kapillardrucks abhängt.

Dies macht die Verwendung von kapillaren Materialien mit einem geringen Radius der Kapillarkanäle zur Erreichung von großen JP_C-Werten notwendig. Wie jedoch aus der Formel (3) ersichtlich ist, erfolgt hierbei die Zunahme des hydraulischen Widerstandes proportional zur vierten Potenz des Radius des Kapillarkanals. All das führt gerade dazu, daß die Wärmetransportlänge und der Wärmefluß in den Wärmerohren bei der Bewegung des Wärmeträgermittels entgegen der Wirkungsrichtung von Schwer- oder anderen Massenkräften sich so sehr vermindern, daß die Frage über die Zweckmäßigkeit ihres Einsatzes unter den genannten Bedingungen entsteht.

Bekannt ist ein Wärmerohr nach der US-Patentschrift Nr. 36 66 005. Es ist von mehreren untereinander verbundenen Sektionen gebildet, von denen jede ein Wärmerohr darstellt. Die Innenfläche der Sektion einschließlich der Stirnflächen ist mit einem kapillaren Material bedeckt, das mit dem Wärmeträgermittel durchtränkt ist. Die Sektionen sind so verbunden, daß die Stirnwand, welche die Kondensationszone in einer vorhergehenden der Sektionen begrenzt, mit der Stirnwand gemeinsam ist, welche die Verdampfungszone in einer nachfolgenden Sektion begrenzt, usw. Somit steht die Kondensationszone jeder vorhergehenden Sektion in thermischem Kontakt mit der Verdampfungszone der nachfolgenden. Da die Zirkulation des Wärmeträgermittels in jeder Sektion unabhängig erfolgt und die Länge der Sektion relativ klein ist, so ist innerhalb einer jeden von ihnen auch die Strecke klein, die das flüssige Wärmeträgermittel im kapillaren Material zurücklegt. Dies bietet die Möglichkeit, Kapillaren mit recht großem Durchmesser zu verwenden und Wärmeflüsse zu übertragen, die bei der Bewegung des Wärmeträgermittels entgegen der Wirkungsrichtung der Gravitationskräfte merklich größer sind, als dies bei der Verwendung von herkömmlichen Wärmerohreri möglich ist

Das bekannte Wärmerohr besitzt einen erhöhten thermischen Widerstand, der dadurch bedingt ist, daß der Wärmetausch zwischen den Sektionen aufgrund der Wärmeleitfähigkeit durch die Trennwände geschieht, von denen jede einen thermischen Widerstand besitzt.

Es ist augenscheinlich, daß bei der Notwendigkeit, die Länge eines solchen Warmeroiires zu vergrößern, eine große Anzahl von Sektionen verwendet werden muß. Folglich nimmt die Zahl der sie trennenden Wände zu, deren thermischer Gesamtwiderstand zum Gesamtwert des thermischen Widerstandes des Wärmerohres gehört. Deshalb ist leicht einzusehen, daß der thermische Widerstand eines aus mehreren Sektionen bestehenden Wärmerohres bedeutend höher sein wird als derselbe der Wärmerohre herkömmlichen Typs, und dadurch ίο wiid in beträchtlichem Maße einer der Hauptvorzüge dieser Wärmeübertragereinheiten eingebüßt, nämlich der niedrige thermische Widerstand. Auf diese Weise wird bei einer vorgegebenen Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeempfänger der Wärmefluß im bekannten Wärmerohr vermindert sein.

Die Versuche, den vom Wärmerohr übertragenen Wärmefluß durch Verminderung des hydraulischen Widerstandes des Rohres zu vergrößern, führten zur Entwicklung eines Wärmerohres nach der US-Patentschrift Nr. 35 43 839. Das bekannte Wärmerohr enthält eine Verdampfungs- und eine Kondensationskammer, von denen jede kapillares Material enthält. Zusammen mit den sie verbindenden Rohrleitungen bilden die Kammern ein geschlossenes hermetisches Kreislaufsystem.

Eine der Rohrleitungen ist zum Transport des Dampfes, der sich in der Verdampfungskammer unter der Einwirkung der Wärmebelastung gebildet hat, in die Kondensationskammer bestimmt.
Die andere Rohrleitung enthält ein kapillares Material, das mit dem in der Verdampfungs- und der Kondensationskammer befindlichen kapillaren Material in hydraulischem Kontakt steht und zum Transport des kondensierten Wärmeträgermittels aus der Kondensationskammer in die Verdampfungskammer bestimmt ist. In der Dampfleitung ist eine Klappe eingebaut, mit deren Hilfe der hydraulische Widerstand der Dampfleitung geregelt und dadurch die Größe des Wärmeflusses im Wärmerohr gesteuert werden kann.

In dieser Konstruktion des Wärmerohres sind in bestimmter Weise die Verluste des Kapillardrucks durch Ausschalten der mechanischen Wechselwirkung von Dampf- und Flüssigkeitsströmen im Abschnitt ihrer Transportierung herabgemindert. Außerdem ist auch die thermische Wechselwirkung zwischen den genannten Strömen praktisch ausgeschlossen, was ebenfalls zur Verbesserung des thermodynamischen Verhaltens des Wärmerohres beiträgt.

Aber ebenso wie in herkömmlichen Wärmerohren sind wegen des hohen hydraulischen Widerstandes des kapillaren Materials entlang der gesamten Kondensat führenden Rohrleitung die Wärmetransportentfernung und der Wärmefluß stark begrenzt, wenn die Bewegungsrichtung des flüssigen Wärmeträgermittels zur Wirkungsrichtung von Massenkräften oder ihrer Komponenten entgegengesetzt ist, beispielsweise wenn im Schwerefeld die Verdampfungskammer höher als die Kondensationskammer liegt.

Eine weitere Verminderung des hydraulischen Widerstandes im Transportabschnitt für das kondensierte Wärmeträgermittel ist in der Konstruktion der Wärmeübertragereinheit nach dem UdSSR-Urheberschein Nr.

η o» 33Z crzieu.

Die Einheit enthält eine Verdampfungskammer, in deren Innerem ein Verdampfer aus kapillarem Material koaxial angeordnet ist, der mit einer Wärmequelle in thermischem Kontakt steht, und eine Dampfstrahlpumpe zur Umwandlung des dynamischen Drucks des Wärmeträgermittels in der Dampfphase in den statischen

Druck des Wärmeträgermittels in der Flüssigkeitsphase. Der Verdampfer besitzt einen axialen Längskanal, der durch eine Quertrennwand geteilt ist. Diese Trennwand begrenzt in der Verdampfungskammer Hohlräume, in einem, von denen sich das Wärmeträgermittel in der flüssigen Phase und in dem anderen sich das Wärmeträgermittel in der dampfförmigen Phase befindet. Die Zone einer Wärmetauschkammer, die das Wärmeträgermittel mit vermindertem Wärmeinhalt in der flüssigen Phase enthält, ist mittels einer ersten Dampfleitung mit dem Saugraum der Dampfstrahlpumpe verbunden. Die Zone der Wärmetauschkammer, die das Wärmeträgermittel mit erhöhtem Wärmeinhalt in der flüssigen Phase enthält, ist mittels einer zweiten Rohrleitung mit dem Druckraum der genannten Pumpe und mit dem Hohlraum, der das Wärmeträgermittel in der flüssigen Phase enthaltenden Verdampfungskammer verbunden.

Der das Wärmeträgermittel in der dampfförmigen Phase enthaltende Hohlraum der Verdampfungskammer steht über eine dritte Rohrleitung mit der Düse der Dampfstrahlpumpe in Verbindung. Das flüssige Wärmeträgermittel, das sich in einem der Hohlräume der Verdampfungskammer befindet, durchtränkt das kapillare Material des Verdampfers.

Bei der Wärmezuführung zur Verdampfungskammer verdampft die im kapillaren Material des Verdampfers enthaltene Flüssigkeit, und der Dampf gelangt aus dem Dampfraum über die Rohrleitung in die Düse der Dampfstrahlpumpe. Die dynamische Druckhöhe des aus der Düse ausströmenden Dampfes wird in statischen Druck des Wärmeträgermittels in der flüssigen Phase umgewandelt, wobei der Flüssigkeitsdruck im Druckraum höher als der Druck, Saugraum der Pumpe wird. Hierbei entsteht ein »Pumpeffekt«, der die Ansaugung des Wärmeträgermittels mit vermindertem Wärmeinhalt aus der Wärmeaustauschkammer gewährleistet, in welchem die Kondensation des aus der Düse ausströmenden Dampfstrahls stattfindet. Durch die Kondensationswärme nimmt der Wärmeinhalt des Wärmeträgermittels zu. Das Wärmeträgermittel mit erhöhtem Wärmeinhalt gelangt in die Wärmetauschkammer und in den Flüssigkeitsraum der Verdampfungskammer.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Einrichtung ist erstens, daß sich das Wärmeträgermittel an der Verdampfungsfläche durch das kapillare Material vorwiegend in Längsrichtung bewegt Bei Versuchen, die Länge des Verdampfers zu vergrößern, hat man es daher mit derselben, durch den Kapillarwiderstand bedingten Begrenzung wie bei den herkömmlichen Wärmerohren zu tun. Zweitens beeinrächtigt das Vorhandensein einer zusätzlichen (dritten) Rohrleitung und der Dampfstrahlpumpe den Aufbau der Wärmeübertragereinheit. Drittens hat die zur Verdampfungskammer erfolgende Zuführung des Wärmeträgermittels mit einem höheren Wärmeinhalt als bei dem aus der Wärmetauschkammer austretenden Wärmeträgermittel eine gewisse Erhöhung der Dampftemperatur gegenüber dem äußeren Wärmeempfänger zur Folge und führt folglich zur Vergrößerung der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeempfänger.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der beim Stand der Technik festgestellten Nachteile, eine Wärmeübertragereinheit zu schaffen, bei der eine Erhöhung der Dichte des dem Verdampfer von der Wärmequelle zuführbaren Wärmeflusses sichergestellt ist

Die gestellte Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Eine solche Konstruktion der Wärmeübertragereinheit gestattet es erstens dank dem Vorhandensein der mit dem Wärmeträger gefüllten und mit dem axialen Längskanal des Verdampfers in Verbindung stehenden stirnseitigen Hohlräume sowie dank der Anordnung des Systems von Wärmeableitungskanälen an der Außenfläche des Verdampfers die Zuführung des Wärmeträgers an die Verdampfungsfläche vorwiegend in radialer

ic Richtung zustande zu bringen. Hierbei ist die Entfernung, die vom Wärmeträger im kapillaren Kanal zurückgelegt wird, verhältnismäßig kurz, was es ermöglicht, Kapillarkanäle mit geringem effektivem Radius zu verwenden und gemäß der Formel (2) hohe Kapillardrücke zu erreichen, die zur Gewährleistung der Zirkulation des Wärmeträgermittels notwendig sind, ohne daß der hydraulische Widerstand der Einrichtung im ganzen wesentlich vergrößert wird. Außerdem macht es die radiale Bewegungsrichtung des Wärmeträgermittels im Verdampfer möglich, letzteren bei der Notwendigkeit einer Vergrößerung der Oberfläche für die Zuführung der Wärmebelastung zu verlängern. Zweitens bietet die Anordnung des Systems von als Längsrillen ausgebildeten Dampfableitungskanälen an der Außenfläehe des Verdampfers die Möglichkeit, das Wärmeträgermittel unmittelbar an die beheizte Wand der Verdampfungskammer zu bringen, die mit dem Verdampfer in thermischem Kontakt steht, während die summarische Oberfläche der Dampfableitungskanäle und der große reduzierte (äquivalente) hydraulische Gesamtdurchmesser derselben die Ableitung des Dampfes bei verhältnismäßig geringen Verlusten des Kapillardrukkes ermöglichen. Diese konstruktiven Lösungen bieten die Möglichkeit, zugleich die Dichte des dem Verdampfer zugeführten Wärmeflusses zu erhöhen und nötigenfalls die Oberfläche für die Zuführung der Wärmebelastung zu vergrößern.

Die behandelte Konstruktion der Wärmeübertragereinheit ist trotz der vorhandenen Dampfstrahlpumpe, die die Zirkulation des Wärmeträgermittels in der Wärmeübertragereinheit zu verstärken und dadurch ihre Leistung zu erhöhen erlaubt, hinreichend kompakt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Dampfstrahlpumpe in der Verdampfungskammer und die Düse der Pumpe in der Trennwand untergebracht sind. Die stirnseitigen Hohlräume gewährleisten hierbei die Arbeit der Pumpe dadurch, daß sie erstens zur Aufnahme des Wärmeträgermittels, das aus den Dampfableitungskanälen, dem Sammler, dem diametralen Kanal und der Düse verdrängt wird, und des aus der Wärmetauschkammer kommenden Wärmeträgermittels dienen und zweitens die Funktion des Saugraumes der Dampfstrahlpumpe erfüllen, wozu sie mittels der durchgehenden Kanäle in der Trennwand miteinander in Verbindung stehen, wobei einer der Hohlräume außerdem zur Unterbringung des Druckraumes der Pumpe dient

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels und durch Zeichnungen näher erläutert; es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragereinheit im Längsschnitt;

Fig.2 einen teilweisen Schnitt nach Linie H-II der F i g. 1 in vergrößertem Maßstab und
F i g. 3 einen Schnitt nach Linie III-III der F i g. 1.

Eine Wärmeübertragereinheit hat eine Verdampfungskammer 1 (Fig. 1), in deren Gehäuse 2 ein Verdampfer 3 aus kapillarem Material, beispielsweise aus metallkeramischem Material, koaxial angeordnet ist,

welcher mit einer durch Pfeile a (Fig. I) bezeichneten Wärmequelle in thermischem Kontakt steht. Feiner hat die Wärmeübertragereinheit eine Wärmelauschkammer 4. Inder Verdampfungskammer I sind zwei stirnseitige Hohlräume 5 und 6 vorgesehen, die von den Wänden der Verdampfungskammer 1 und den Stirnflächen des Verdampfers 3 begrenzt sind. Im Verdampfer 3 ist ein axialer Längskanal 7 ausgespart, der zusammen mit den stirnseitigen Hohlräumen 5 und 6 zum Sammeln und Zuführen des Wärmeträgermittels an eine Verdampfungsfläche 8 dient, welche durch die Flanken von Dampfableitungskanälen 9 gebildet wird, die in Form von Längsrillen an der Mantelfläche des Verdampfers 3 ausgeführt und zum Ableiten des Dampfes von der Verdampfungsfläche 8 (Fig. 2) bestimmt sind. Die Dampfableitungskanäle 9 stehen mit einem Dampfsammler 10 (F i g. 1) in Verbindung, der einen diametralen Kanal 11 als Verbindung hat, welcher den durch Pfeil »b« angedeuteten Dampf einer Düse 12 einer Dampfstrahlpumpe 13 zuführt. Der Dampfsammler 10 (F i g. 3), der diametrale Kanal 11 und die Düse 12 sind in einer Trennwand 14 des Verdampfers 3 angebracht, die an die Stirnfläche angrenzt, welche der Wärmetauschkammer 4 zugewandt ist. Der Druckraum 15 (Fig. 1) der Dampfstrahlpumpe 13 befindet sich im stirnseitigen Hohlraum 6. Der Hohlraum 6 bildet zusammen mit dem stirnseitigen Hohlraum 5 und dem axialen Kanal 7 den Saugraum der Dampfstrahlpumpe 13, wozu der stirnseitige Hohlraum 5 mittels des axialen Kanals 7 und in der Trennwand 14 ausgeführten Durchgangsbohrungen 16 (Fig.3) mit dem stirnseitigen Hohlraum 6 in Verbindung steht.

Die Wärmetauschkammer 4 stellt einen Röhrenwärmetauscher dar, dessen das Wärmeträgermittel mit erhöhtem Wärmeinhalt enthaltende Zone in Form eines Sammlers 17 ausgebildet ist, wogegen seine das Wärmeträgermittel mit vermindertem Wärmeinhalt enthaltende Zone als Sammler 18 ausgebildet ist. Der Sammler 17 steht mit dem Sammler 18 über eine Vielzahl von Rohren 19 in Verbindung.

Die Wärmetauschkammer 4 der Wärmeübertragereinheit dient zum Abführen derWärme, die durch Pfeile »c« angedeutet ist, an einen äußeren Empfänger, beispielsweise an die Umgebungsluft.

Der Sammler 18 ist mittels einer ersten Rohrleitung 20 mit dem Saugraum der Dampfstrahlpumpe 13 verbunden. Der Sammler 17 ist mittels einer zweiten Rohrleitung 21 mit dem Druckraum 15 der Dampfstrahlpumpe 13 verbunden.

Um das Überströmen von Dampf aus den Dampfableitungskanälen 9 in die stirnseitigen Hohlräume 5 und 6 zu verhindern, sind an der Außenfläche des Verdampfers 3 an dessen Stirnseiten glatte Ringbünde 22 ausgeführt.

Für das Zuführen des Wärmeträgermittels mit vermindertem Wärmeinhalt in den Saugraum der Dampfstrahlpumpe 13 dient eine Austrittsöffnung 23 der ersten Rohrleitung 20 im axialen Längskanal 7 des Verdampfers 3.

Die Strömungsrichtung des in der flüssigen Phase befindlichen Wärmeträgermittels ist durch Pfeile »d« angedeutet.

Die Wärmeübertragereinheit arbeitet folgendermaßen:

Beim Zuführen der durch Pfeile »a« (F i g. 1) angedeuteten Wärme von einer äußeren Quelle an den Verdampfer 3 verdampft das das kapillare Material des Verdampfers 3 durchtränkende Wärmeträgermittel von den Verdampfungsflächen 8 der Dampfableitungskanä-Ie 9 (siehe Pfeile »b«. Fig. 2) und nimmt die latente Verdampfungswärme auf. Der entstehende Dampf (Pfeile »b«)strömt über die Dampfableitungskanäle 9 in den Dampfsammler 10 und dann in den diametralen Kanal 11, aus welchem er in die Düse 12 der Dampfstrahlpumpe 13 gelangt und das in der flüssigen Phase befindliche Wänneträgermiuel daraus in den stirnseitigen Hohlraum 5 verdrängt, dessen Volumen das VoIumen des zu verdrängenden Wärmeträgermittels überschreiten soll. Dank dem Vorhandensein der glatten Ringbünde 22, die an der Innenfläche des Gehäuses 2 der Verdampfungskammer 1 satt anliegen und die Funktion einer Dichtung erfüllen, sowie dadurch, daß das flüssige Wärmeträgermittel in den Kapillarkanälen des Verdampfers 3 unter der Wirkung von Kapillarkräften steht, kann der Dampf in die stirnseitigen Hohlräume 5 und 6 sowie in den axialen Kanal 7, vorbei an der Düse 12 der Dampfstrahldüse 13, nicht eindringen.

Beim Ausströmen des Dampfes (die Pfeile »b«) aus der Düse 12 kondensiert das in der flüssigen Phase befindliche Wärmeträgermittel und es erfolgt ein Impulsaustausch zwischen den Strom des kondensierten Dampfes und dem Strom des Wärmeträgermittels mit vermindertem Wärmeinhalt, welcher aus der Wärmetauschkammer 4 über die erste Rohrleitung 20 in den Saugraum der Dampfstrahlpumpe 13 durch die Austrittsöffnung 23 und die Durchgangsbohrungen 16 in der Trennwand 14 gelangt. Infolge der Dampfkondensation steigt der Wärmeinhalt des Wärmeträgermittels in der flüssigen Phase aufrund der Kondensationswärme, und aufgrund des Impulsaustausches zwischen dem Dampfstrom und dem Strom des flüssigen Wärmeträgermittels geschieht die Umwandlung des dynamischen Drucks des Dampfes in den statischen Druck des flüssigen Wärmeträgermittels im Druckraum 15 der Dampfstrahlpumpe 13, wodurch ein »Pumpeffekt« entsteht, der die Zirkulation des Wärmeträgermittels in der Wärmeübertragereinheit bewirkt. Das Wärmeträgermittel mit erhöhtem Wärmeinhalt gelangt über die Rohrleitung 21 in den Sammler 17 der Wärmetauschkammer 4 und dann in die Wärmetauschrohre 19, die eine große Wärmetauschfläche besitzen.
Je nach der Bewegung des Wärmeträgermittels in den Rohren 19 nimmt dessen Wärmeinhait infolge der Wärmeabfuhr (Pfeile »c«) an den äußeren Empfänger ab. Das Wärmeträgermittel mit vermindertem Wärmeinhalt tritt in den Sammler 18 ein und gelangt dann über die Rohrleitung 20 aufgrund der Wirkung des obenerwähnten »Pumpeffektes« in den axialen Kanal 7 des Verdampfers 3 und in den stirnseitigen Hohlraum 5, woraus ein Teil desselben unter der Wirkung von Kapillarkräften in das kapillare Material des Verdampfers 3 aufgesaugt wird und an die Verdampfungsfläche 8 gelangt, während der andere Teil (siehe Pfeil »d«) durch die Bohrungen 16 in den Hohlraum 6 tritt, aus welchem er dann dem Druckraum 15 der Pumpe 13 zugeführt wird. Im weiteren wiederholt sich der gesamte Zirkulationsprozeß des Wärmeträgermittels.

Der Verdampfer 3 erfüllt die Funktion eines Dampferzeugers, der die Dampfstrahlpumpe 13 speist, welche für die Zirkulation des Wärmeträgermittels sorgt Es ist offensichtlich, daß die Summe der Druckverluste im Dampf und in der Flüssigkeit ebenso wie in einem herkömmlichen Wärmerohr gemäß der Gleichung (1) den Kapillardruck nicht überschreiten kann, der im Verdampfer 3 erzeugt wird und dessen Höhe nach der Formel (2) bestimmt wird. Aber in der hier behandelten

Einrichtung, die fast vollständig mit dem flüssigen Wärmeträgermittel gefüllt ist, beeinflußt dessen Orientierung im Schwerefeld die Druckbilanz kaum, weil in der Einrichtung die nichtkompensierte Flüssigkeitssäule faktisch fehlt, und das Glied, welches den hydrostat!- sehen Widerstand pig L sind qi berücksichtigt, vernachlässigt werden kann.

Da die Rohrleitungen 20, 21 und die Wärmetauschkammer 4 einen verhältnismäßig niedrigen hydraulischen Widerstand haben und der Abstand, den das Warmeträgermittel im kapillaren Material des Verdampfers 3 zurücklegt, geringt ist, kann der effektive Radius der Kapillarkanäle verringert werden, indem ein hoher Kapillardruck selbst bei der Verwendung von Niedertemperaturwärmeträgern mit niedriger Oberflächenspannung erzeugt wird. Dabei können Wärmeflüsse von erheblicher Größe unabhängig von der Orientierung im Massenkräftefeld über Entfernungen bis zu mehreren Metern übertragen werden. Außerdem entsteht dank der radialen Zuführung des Wärmeträgermittels an die Verdampfungsfläche 8 die Möglichkeit, nötigenfalls die Länge des kapillaren Verdampfers ohne wesentliche Zunahme der Druckverluste zu vergrößern.

Die Anordnung der Dampfstrahlpumpe 13 im Gehäuse 2 der Verdampfungskammer 1 sowie deren geringe Abmessungen und eine minimale Anzahl der Rohrleitungen zur Zirkulation des Wärmeträgermittels machen dabei die Wärmeübertragereinheit sehr kompakt.

In einer 1,5 m langen Wärmeübertragereinheit mit Wasser als Wärmeträgermittel wurde eine Dichte des radialen Wärmeflusses auf der Oberfläche der Verdampfungskammer gleich 150 kW/m² bei einer Dampftemperatur von 370 K bei vertikaler Lage der in F i g. 1 dargestellten Einrichtung erzielt. Das mittlere Temperaturgefälle zwischen der Oberfläche der Verdampfungskammer und der Oberfläche der Wärmetauschkammer betrug dabei 63 K. Bei der Vergrößerung der Länge der Wärmeübertragereinheit bis auf 3,2 m betrug die Wärmeflußdichte unter sonst gleichen Bedingungen 90 kW/ m².

Es sei bemerkt, daß die angegebenen Größen der Wärmeflüsse keine Grenzwerte darstellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentanspruch:
Wärmeübertragereinheit, bestehend aus

— einer Verdampfungskammer, in deren Innerem ein mit Wärmeträgermittel durchtränkter Verdampfer aus kapillarem Material koaxial angeordnet ist, der mit einer Wärmequelle in thermischem Kontakt steht und einen axialen Längskanal mit einer Trennwand aus kapillarem Material besitzt,

— einer Dampfstrahlpumpe zur Umwandlung des dynamischen Drucks des Wärmeträgermittels in der Dampfphase in den statischen Druck des Wärmeträgermittels in der Flüssigkeitsphase und

— einer Wärmetauschkammer, deren eine Zone, welche das Wärmeträgermittel mit vermindertem Wärmeinhalt enthält, mittels einer ersten Rohrleitung mit dem Saugraum der Dampfstrahlpumpe verbunden ist, während die andere Zone, welche das Wärmeträgermittel mit erhöhtem Wärmeinhalt enthält, mittels einer zweiten Rohrleitung mit dem Druckraum der Dampfstrahlpumpe verbunden ist,