DE3301998C2 - Wärmeübertragungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Wärmeübertragereinrichtung schließt eine Verdampfungskammer (1), in deren Innerem ein Verdampfer (3) aus einem Kapillarstoff koaxial angeordnet ist, der mit einem Wärmeträger durchtränkt ist und mit einer Wärmequelle im Wärmekontakt steht, sowie eine Kondensatorkammer (4) ein. Der Verdampfer (3) besitzt Dampfableitungskanäle, die mit einem Dampfsammler (2) in Verbindung stehen, und einen axialen Längskanal (7), der mit einem jeden von zwei stirnseitigen Hohlräumen (5, 6) in Verbindung steht. Jeder der Hohlräume (5, 6) ist von der Stirnfläche des Verdampfers (3) und den Wänden der Kammer (1) begrenzt. Die Dampfableitungskanäle sind von Längsnuten (9) und einer Vielzahl von sich mit ihnen schneidenden Ringnuten (10) gebildet, die sich an der Außenfläche des Verdampfers (3) zwischen glatten Ringbünden (23) zur Verhinderung von Dampfüberströmungen aus den Dampfableitungskanälen in die stirnseitigen Hohlräume (5, 6) befinden. Die Kondensatorkammer (4) stellt einen Schuß (14) dar, in dessen Innerem ein weiterer Schuß (15) koaxial angeordnet ist, derart, daß zwischen der Wand des ersten Schusses (14) und der Wand des zweiten Schusses (15) ein Spalt (16) entsteht, der von der Umgebung isoliert ist und dessen Querschnitt in der Bewegungsrichtung des Dampfes im Spalt abnimmt.

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Wärmeübertragungseinrichtung ist mit dem SU-Urheberschein Nr. 6 91 672 bekannt geworden. Sie wird in radioelektronischen und anderen elektrischen Apparaten verwendet und insbesondere in solchen Objekten installiert, welche während des Betriebs ihre Orientierung in Massenkräftefeldern, beispielsweise im Gravitationsfeld, verändern und so der Einwirkung von nach Betrag und Richtung veränderlichen Massenträgheitskräften unterworfen sind.

Die erwähnte Wärmeübertragungseinrichtung besteht aus einer Verdampfungskammer und einer Kondensationskammer, welche mittels Rohrleitungen miteinander in Verbindung stehen; erstere dient zum Transport des Wärmeträgers in der Dampfphase, letztere zum Transport desselben in der flüssigen Phase. Im Inneren der Verdampfungskammer ist ein Verdampfer aus Kapillarstoff koaxial angeordnet, welcher mit einem Wärmeträger durchtränkt ist und mit einer Wärmequelle in Wärmekontakt steht Der Verdampfer besteht aus zwei Teilen, deren Stirnflächen aneinander stoßen. Jeder dieser beiden Verdampferteile ist mit längs und radial angeordneten Kanälen versehen, die jeweils mit einem Dampfsammler in Verbindung stehen. Dieser Dampfsammler ist im Verdampfer in Gestalt einer Ringnut an der Grenze der beiden aneinander stoßenden Verdampferteile ausgebildet. Der Verdampfer besitzt ferner einen axialen Längskanal, der zwei Hohlräume verbindet, die von den beiden Stirnflächen des Verdampfers und den Wänden der Verdampfungskammer begrenzt sind. In der Seitenwand der Verdampfungskammer ist eine Eintrittsbohrung für die erste Rohrleitung, in der der Kondensationskammer zugewandten Stirnwand eine Austrittsbohrung für eine zweite Rohrleitung vorgesehen, welche mit dem stirnseitigen Hohlraum der Verdampfungskammer in Verbindung steht. Die Austrittsöffnung dieser Rohrleitung kann am erwähnten Hohlraum oder am axialen Längskanal des Verdampfers angeordnet sein. Die Kondensationskammer stellt ein als Hülse ausgebildetes Rohr dar, dessen Boden der Verdampfungskammer zugewandt ist. Innerhalb dieser Rohrhülse ist ein zweites Rohr derart angeordnet, daß zwischen der Seiten- und der Stirnfläche des äußeren Rohres ein Ringspalt und ein zu diesem orthogonaler planparalleler Spalt gebildet werden, welche den Innenraum der Kondensationskammer bilden.

Bei Schräglage dieser Wärmeübertragungseinrichtung oder gar einer vertikalen Ausrichtung im Massenträgheitsfeld, wobei dann die Verdampfungskammer oberhalb der Kondensationskammer zu liegen kommt, steigt der hydrostatische Widerstand auf einen Maximalwert an. Der Aufbau dieser Wärmeübertragungseinrichtung mit ihrem System von Dampfableitungskanälen, deren Zahl zur Schaffung einer ausreichend großen Verdamptungsfläche möglichst groß sein soll, ist relativ kompliziert. Die Gewährleistung einer zuverlässigen und dichten Verbindung der beiden Teile des Kapillarverdampfers im Gehäuse ist schwierig. Die erziclbare effektive Verdampfungsfläche ist unbefriedigend. Ferner ist die Anordnung der Austrittsöffnung der zweiten Rohrleitung in der Verdampfungskammer nachteilig, da diese unterhalb der Füllhöhe des flüssigen Wärmcträ-

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gers im oberen stirnseitigen Hohlraum bei Schräglage der Wärmeübertragungseinrichtung liegt Dies hat zur Folge, daß der noch kühle Wärmeträger nicht unmittelbar zum oberen Hohlraum geleitet werden kann, was möglicherweise Überhitzung der Wärmeübertragungseinrichtung zur Folge hat Schließlich besitzt der schmale Ringspalt in der Kondensationskammer einen relativ hohen hydraulischen Widerstand, der durch den herabfließenden Kondensatfilm und der verschlechterten Wärmekonvektion von der Außenfläche der Kondensationskammer noch zusätzlich erhöht wird. Der von dieser Wärmeübertragungseinrichtung maximal ableitbare Wärmestrom ist deshalb begrenzt

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeübertragungseinrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweist und sich insbesondere durch eine vergrößerte effektive Verdampfungsfläche des Verdampfers, einen verringerten hydra"Jischen Widerstand der Kondensationskammer und eine herabgesetzte Dampftemperatur im oberen Hohlraum der Verdampfungskammer auszeichnet, die bei gesteigertem Wärmeleitvermögen einen konstruktiv einfachen Aufbau besitzt, und die unabhängig von den Einwirkungen eines Massenkräftefeldes zuverlässig arbeitet

Als zur Lösung dieser Aufgabe wesentlich werden die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 enthaltenen Merkmale vorgeschlagen.

Diese Konstruktion der Wärmeübertragungseinrichtung gestattet es, die Verdampfungsfläche des Kapillar-Verdampfers dank der Vergrößerung der Gesamtfläche der Dampfableitungskanäle wesentlich größer zu machen. Die Vergrößerung der Verdampfungsfläche verbessert die Bedingungen zur Dampfableitung von dieser Oberfläche, wodurch die Druckverluste des Dampfes beträchtlich vermindert und der Wärmewiderstand der Verdampfungszone verringert wird. Im Endergebnis führt dies zur Erhöhung der thermodynamischen Effektivität der Wärmeübertragungseinrichtung, die sowohl in der größeren Wärmetransportlänge wie auch in der höheren Wärmebelastungsdichte ihren Ausdruck findet.

Ein augenscheinlicher Vorteil eines solchen Systems von Dampfabteilungskanälen ist ferner seine Einfachheit und Fertigungsgerechtheit, da die Herstellung einer Vielzahl von Ringnuten an der Außenfläche des Verdampfers, die vor allem die Verdampfungsfläche ausmachen, keine besonderen Schwierigkeiten bereitet. Komplizierter ist die Ausführung von Längskanälen, deren Hauptzweckbestimmung in der Dampfableitung in den Dampfsammler besteht. Jedoch ist ihre Zahl gering, und die Tiefe dieser Kanäle kann etwas größer als bei den Ringnuten sein. Außerdem kann sie in der Verdampferlänge zur Erzielung von optimalen Dampfablehungsbedingungen leicht differenziert werden.

Das gesamte System von Dampfabteilungskanälen befindet sich zwischen den glatten Ringbünden, die an den Stirnseiten des Verdampfers ausgebildet sind und die Funktion einer Dichtung erfüllen, welche das Überströmen des "heißen" Dampfes in die stirnseitigen Hohlräume verhindert.

Hohlraum liegt Dies gestattet eine unter diesen Bedingungen maximal mögliche Erniedrigung der Dampftemperatur T₂ und des Dampfdrucks P₂ über der erwähnten Grenzfläche zu erzielen. Die Erniedrigung der Dampftemperatur T₂ und des Dampfdrucks P₂ wird dadurch begünstigt daß die Bewegung des Wärmeträgers im Abschnitt der zweiten Rohrleitung, der im axialen Längskanal des Verdampfers liegt mit einer hohen Geschwindigkeit erfolgt die es ihm nicht erlaubt, vor dem Eintritt in den stirnseitigen Hohlraum heiß zu werden. Die Senkung des Dampfdrucks P₂ bei Aufrechterhaltung des Solldruckgefälles P\ — P₂ bedingt die Möglichkeit einer entsprechenden Erniedrigung der Dampftemperatur Ti und des Dampfdrucks P\ in den Dampfableitungskanälen. Somit gehen das Anlassen und die Funktion der Wärmeübertragereinrichtung auf einem niedrigeren Temperaturniveau vor sich. Dies gestattet, die Isothermie der Einrichtung bei deren beibehaltener Arbeitsleistung zu erhöhen sowie die Temperatur der abzukühlenden Wärmequelle zu erniedrigen.

Die Konstruktion der Kondensationskammer gestattet es erstens, eine praktisch gleiche Effektivität der Wärmeableitung von der gesamten Kammeroberfläche sicherzustellen, zweitens den Aufbau der Wärmeübertragereinrichtung zu verbessern, weil ein Teil der zweiten Rohrleitung im Innern des inneren Rohrs liegt, drittens gestattet es die Differenziermöglichkeit der Spaltgröße in der Kammerlänge, den hydraulischen Widerstand des Spaltes zu optimieren, und, ohne den letzteren wesentlich zu vergrößern, einen lokalen Kapillareffekt in der Zone der Eintrittsöffnung der zweiten Rohrleitung zu erzielen, der zur Stabilisierung des Flüssigkeitsstopfens von ausreichend großer Höhe erforderlich ist, der das Durchbrechen des Dampfes in die Rohrleitung bei den Orientierungen der Einrichtung mit den Neigungswinkeln φ < 0 verhindert.

Zweckmäßigerweise besitzen die an der Außenfläche des Verdampfers befindlichen Nuten ein dreieckiges Profil mit nach innen weisender Spitze.

Im Verdampfer besteht ständig ein Temperaturgefälle in radialer Richtung, und bei Vergrößerung der Nutentiefe zwecks Verminderung ihres hydraulischen Widerstandes nimmt dementsprechend auch das Temperaturgefälle in Richtung zur Spitze dieser Nuten zu. Dieser Umstand kann erstens eine teilweise Dampflcondensation auf dem "kalten" Nutengrund sowie die Bildung einer lokalen "parasitären" Zirkulation des Wärmeträgers in der Verdampfungszone zur Folge haben, was zur Erhöhung der Dampftemperatur im axialen Längskanal und in den stirnseitigen Hohlräumen und als Folge davon zur Verschlechterung der Funktionsbedingungen der Wärmeübertragereinrichtung führt. Das dreieckige Kanalprofil, dessen Spitze eine minimale Fläche besitzt ermöglicht eine Reduzierung dieser unerwünschten Erscheinungen.

Es ist von Vorteil, wenn im Verdampfer ein Innenrohr verläuft das an den Stirnwänden der Verdcmpfungskammer befestigt und im axialen Längskanal des Verdampfers einen radialen Spalt freiläßt, der zum Zuführen des Wärmeträgers zum Verdampfer in radialer

Lsiv. mtvi uiiuiig u\»i nuati ιiiauiinutig uci £wcilcii

Rohrleitung in dem stirnseitigen Hohlraum, der von der Kondensationskammer am weitesten entfernt ist, erlaubt es bei Orientierungen der Einrichtung mit den Neigungswinkeln φ > 0, den in der Kondensationskammer kondensierten und abgekühlten Wärmeträger unmittelbar an die Grenzfläche Dampf-Flüssigkeit zuzuführen, die bei den erwähnten Orientierungen in diesem rvii.iiiuiig uiciii, uiiu udu uci Hinein auiii un Hinein um ca mit der Umgebung in Verbindung steht.

Diese Konstruktion der Verdampfungskammer gestattet es, die Wärmeisolation des Stroms des flüssigen Wärmeträgers, der über die zweite Rohrleitung in den stirnseitigen Hohlraum gelangt, effektiver zu gestalten. Dies wird dadurch erreicht, daß der Abschnitt der Rohrleitung, der sich im axialen Längskanal und im stirnseiti-

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gen Hohlraum befindet, welche mit dem flüssigen Wärmeträger gefüllt sind, von der Erwärmung durch die Trennwand und die Schicht des jeweiligen Umgebungsmediums, beispielsweise der Luft, die bekanntlich guter Wärmeisolator ist, zusätzlich isoliert ist. Ihrerseits ermöglicht es die zuverlässigere Wärmeisolation der Rohrleitung, den flüssigen Wärmeträger dem stirnseitigen Hohlraum der Verdampfungskammer nahezu mit derselben Temperatur zuzuführen, die er beim Austritt aus der Kondensationskammer besaß. Wie bereits im vorstehenden erwähnt wurde, gestattet dies, die Dampftemperatur T₂ und den Dampfdruck P₂ im stirnseitigen Hohlraum über der Grenzfläche Dampf-Flüssigkeit zusätzlich zu erniedrigen und somit das Arbeitstemperaturniveau der Wärmeübertragereinrichtung sowie den Wärmewiderstand derselben herabzusetzen bzw. bei übrigen gleichen Bedingungen die Wärmebelastungsdichte und die Leistung zu erhöhen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert Es zeigen:

Rg. 1 — schematische Darstellung der Wärmeübertragungseinrichtung gemäß der Erfindung, mit einem teilweisen Längsschnitt:

Rg. 2 — teilweiser Schnitt nach Linie II — II der Fig. 1, im vergrößerten Maßstab;
Rg. 3 - Schnitt nach Linie III — III der Fig. 1;
Rg. 4 — teilweiser Längsschnitt der ersten und der zweiten Rohrleitung mit in Gestalt von Wellrohren ausgeführten Abschnitten;

Rg. 5 — teilweiser Längsschnitt der ersten und der zweiten Rohrleitung mit in Gestalt von Rohrspiralen ausgeführten Abschnitten;

Rg. 6 — Ausführungsform der Verdampfungskammer gemäß der Erfindung mit einem teilweisen Längsschnitt;

Rg. 7 — teilweiser Schnitt nach Linie YII — YII der Rg. 6, im vergrößerten Maßstab.

Die Wärmeübertragungseinrichtung enthält eine Verdampfungskammer 1 (Rg. 1), in dessen Gehäuse 2 koaxial ein Verdampfer 3 aus einem Kapillarstoff, beispielsweise aus einem metallkeramischen Stoff, angeordnet ist, der mit einer Wärmequelle im Wärmekontakt steht wobei der von dieser ausgehende Wärmestrom durch Pfeile "a" angedeutet ist sowie eine Kondensationskammer 4. In der Verdampfungskammer t sind 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 ausgeführt der zusammen mit den stirnseitigen Hohlräumen 5 und 6 zum Sammeln und Zuführen des Wärmeträgers zu einer Verdampfungsfläche 8 (Fig. 2) bestimmt ist die von den Seitenflächen der Dampfableitungskanäle gebildet ist die in Gestalt von Längsnuten 9 und Ringnuten 10 an der Mantelfläche des Verdampfers 3 eingearbeitet sind. Die Längsnuten 9 (Rg. 1) und die Ringnuten 10 besitzen ein dreieckiges Profil mit einer der Längsachse des Verdampfers 3 zugekehrten Spitze. Die Längsnuten 9 stehen mit einem Dampfsammler 11 in Verbindung, der an der Außenfläche des Verdampfers 3 in Form einer Ringnut ausgeführt ist die mit der Eintrittsöffnung 12 einer ersten Rohrleitung 13 in Verbindung steht die zum Transport des Wärmeträgers in der Dampfphase, durch Pfeile "b" angedeutet in die Kondensationskammer 4 bestimmt ist

Die Kondensationskammer 4 wird gebildet aus einem äußeren Rohr 24, in dem ein inneres Rohr koaxial angeordnet ist, derart, daß zwischen der Wand des äußeren Rohrs 14 und der Wand des inneren Rohrs 15 ein Ringspalt 16 gebildet ist, der von der Umgebung durch Ringdeckel 17 und 18 (Fig. 1) isoliert ist. Der Querschnitt des Ringspaltes 16 nimmt in der Bewegungsrichtung des Dampfes im Ringspalt 16 ab. Die Austrittsöffnung 19 der ersten Rohrleitung 13 liegt näher zur Verdampfungskammer 1 in der Seitenwand des äußeren Rohrs 14 bzw. des inneren Rohrs 15 (Fig. 4). Die beiden Anordnungsvarianten der Austrittsöffnung 19 sind thermodynamisch gleichwertig, und es wird jene bevorzugt, bei welcher der Aufbau unter dieser oder jener konkreten Situation bequemer ist Die Eintrittsöffnung 20 (Rg. 1) für eine zweite Rohrleitung 21, die zum Transport des Wärmeträgers in der flüssigen Phase bestimmt ist, durch Pfeile V angedeutet ist von der Austrittsöffnung 19 hinsichtlich der Länge der Kondensationskammer 4 maximal entfernt und kann ferner je nach den konkreten Bedingungen sowohl in der Wand des äußeren Rohres (in der Figur nicht abgebildet) wie auch in der Wand des inneren Rohres 15 angeordnet sein. Die Eintrittsöffnung 20 steht mit dem RingSpalt 16 in einem Abschnitt in Verbindung, der einen minimalen Querschnitt besitzt Die Wärmeableitung von der Kondensationskammer 4 kann gleichermaßen sowohl von der Oberfläche des äußeren Rohres 14 wie auch von der Oberfläche des inneren Rohres 15 erfolgen. Der Wärmestrom zum Wärmeempfänger, als welcher beispielsweise die umgebende Luft auftreten kann, ist durch Pfeile V angedeutet.

Die Austrittsöffnung 22 der zweiten Rohrleitung 21 befindet sich im stirnseitigen Hohlraum 5, der von der Kondensationskammer 4 am weitesten entfernt ist. Die zweite Rohrleitung 21 verläuft im Innern des axialen Längskanals 7 des Verdampfers 3. Zur Verhinderung des Überströmens des "heißen" Dampfes in die stirnseitigen Hohlräume 5 und 6 sind an der Außenfläche des Verdampfers 3 glatte Ringbünde 23 ausgeführt die die Funktion einer "Dichtung" erfüllen, indem sie an der Innenfläche des Gehäuses 2 der Verdampfungskammer 1 satt anliegen.

Zur bequemeren Montage der Wärmeübertragereinrichtung weisen die erste Rohrleitung 13 und die zweite Rohrleitung 21 Abschnitte auf, die in Gestalt von Wellrohr 24 (Fig. 4) ausgeführt sind, die eine elastische mechanische Verbindung zwischen der Verdampfungskammer 1 und der Kondensationskammer 4 gewährleisten.

Zur Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit der Einrichtung unter Bedingungen der Einwirkung von Vibrationsbelastungen weisen die Rohrleitungen 13 und 21 Abschnitte auf, die in Gestalt von Rohrspiralen 25 (Rg. 5) ausgeführt sind, die eine elastische mechanische Verbindung zwischen der Verdampfungskammer 1 und der Kondensatorkammer 4 gewährleisten.

Die Wärmeübertragereinrichtung arbeitet auf folgende Weise:

Bei fehlender Wärmebelastung und der Orientierung der Wärmeübertragereinrichtung mit einem Neigungswinkel φ = 4- 90° im Massenkräftefeld, das durch einen Vektor V (Rg. 1) charakterisiert ist stellt sich der Wärmeträger bei vollkommen durchtränktem Verdampfer 3 in einer bestimmten Höhe x-x in der ersten Rohrleitung 13 und der zweiten Rohrleitung 21 ein. Die zur Füllung der Einrichtung erforderliche Wärmeträgermenge, und dementsprechend auch die Höhenlage des Wärmclrägers x-x ist durch das Volumen des Wärmeträgers, der den Verdampfer 3 durchtränkt geometrische Abmessungen der Einrichtung, Steilheit der Sättigungskurvc

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des Wärmcirägers, die durch die Größe der Ableitung cll'UIT definiert ist, und eine Reihe weiterer Faktoren bedingl. So findet beispielsweise, wenn die Wärmebelastungsgröße unter der minimalen liegt, die zum Anlassen der Einrichtung ausreicht, die Austrocknung des Verdampfers 3 und gleichzeitige Steigung der Standhöhe χ-Λί des Wärmeträger dank der Kondensation statt.

Unter diesen Bedingungen muß die ursprüngliche Höhenlage des Wärmeträgers eine solche sein, daß zum Zeitpunkt, da der Verdampfer 3 nicht mehr als 40 — 50% des Wärmeträgers verloren hat, die Wärmeträgerhöhe Af-* bis zur Eintrittsöffnung 12 der ersten Rohrleitung 13 steigt. Danach wird die weitere Austrocknung des Verdampfers 3 durch den durch die Ein-Irittsöffnung 12 eintretenden Wärmeträger kompensiert werden.

Die ursprüngliche Wärmeträgerhöhe x-x kann tiefer eingestellt werden, wenn die Möglichkeit der Durchtränkung des Verdampfers 3 vor dem Anlassen, beispielsweise durch Veränderung des Winkels φ um 180°, besieht. Es ist allerdings zu beachten, daß beim Anlassen der Wärmeübertragereinrichtung sogar bei nominalen Wärmebelastungen beim vollständig durchtränkten Verdampfer 3 der Wärmeträger nicht sofort, sondern nach einer gewissen Zeitspanne, die einige Sekunden ausmacht, mit ihm in Kontakt tritt. Diese Zeitspanne ist um so kürzer, je höher die Wärmebelastung, je größer dPldTdzs Wärmeträgers und je kleiner Dichte und Viskosität desselben sind. Bei richtig eingestellter Wärmeträgermenge, die zum Füllen der Einrichtung erforderlich ist, ist das Anlassen und die Funktion der vorliegenden Wärmeübertragereinrichtung in allen Fällen garantiert.

Bei der Wärmezuführung, die durch Pfeile "a" (Flg. 1) angedeutet ist, von einer Außenquelle zum Verdampfer 3 verdampft der Wärmeträger von den Verdampfungsoberflächen 8 (Rg. 2) der Längs- und Ringnuten 9 und 10 (Pfeile "b"), wobei die latente Verdampfungswärme absorbiert wird. Der entstandene Dampf (Pfeile "b" Rg. 1) strömt über die Längsnuten 9 in den Dampfsummlcr 11, dann durch die Eintrittsöffnung 12 in die erste Rohrleitung 13 und sodann in den Spalt 16 der Kondensationskammer 4, wobei er den sich in flüssiger Phase befindenden Wärmeträger aus ihnen in die stirnseitigen Hohlräume 5, 6 der Verdampfungskammer 1 und in den axialen Längskanal 7 des Verdampfers verdrängt. Der in den Ringspalt 16 der Kondensationskammer 4 eintretende Dampf kondensiert an der Oberfläche der Rohre 14 und 15, und die Kondensationswärmeempfänger abgeleitet wobei der Wärmestrom zu ihm durch Pfeile V angedeutet ist Der kondensierte Wärmeträger bildet einen Flüssigkeitsstopfen, der die Eintrittsöffnung 20 der zweiten Rohrleitung 21 verschließt und das Eindringen von Dampfblasen in die Rohrleitung 21 verhindert. Bei Veränderung der Orientierung der Einrichtung, wenn sich die Verdampfungskammer 1 unterhalb der Kondensationskammer 4 befindet verbleibt der Flüssigkeitsslopfen an seinem Ort dank den Kapillarkräften, die an der engsten Stelle des Spaltes wirken, sowie teilweise dank der Wirkung des vom Dampfstrom ausgeübten dynamischen Drucks. Der in der Kondensationskammer 4 abgekühlte flüssige Wärmeträger gelangt durch die Eintrittsöffnung 20 in die Rohrleitung 21, bewegt sich in derselben und füllt den stirnseitigen Hohlraum 6, den axialen Längskanal 7 und den stirnseiligen Hohlraum 5. Die Zuführung des Wärmeträgers zur Verdampfungsfläche 8 der Längs- und Ringnuten 9 und 10 (Rg. 2) erfolgt vorwiegend in radialer Richtung aus dem axialen Längskanal 7.

Dank den vorhandenen glatten Ringbünden 23 (Fig. 1), die an der inneren Seitenfläche des Gehäuses 2 der Verdampfungskammer satt anliegen und die Funktion einer Dichtung erfüllen, sowie dadurch, daß der flüssige Wärmeträger in den Kapillarkanälen unter der Einwirkung von Kapillarkräften steht, kann der "heiße" Dampf aus den Längs- und Ringnuten 9 und 10 in die stirnseitigen Hohlräume 5, 6 und in den axialen Längskanal 7 nicht eindringen. Die Schicht des Kapillarstoffs des Verdampfers 3 trennt die Verdampfungsflächen 8 der Längs- und Ringnuten 9 und 10 von der Oberfläche des axialen Längskanals 7 und von den Stirnflächen des Verdampfers 3. Die erwähnte Schicht besitzt einen Wärmewiderstand. In den Längsund Ringnuten 9 und 10 entsteht der "heiße" Dampf mit Parametern 7} und P\.

Über der Oberfläche des axialen Längskanals 7 und den Stirnflächen des Verdampfers 3 wird "kalter" Dampf mit Parametern T₂ und P₂ gebildet, deren Werte unter denen der entsprechenden Parameter 71 und P\ liegen.

Die entstehende Temperaturdifferenz AT\- ₂ = T\ — T₂ bedingt die Entstehung einer Druckdifferenz P₁ -₂ = P] — P₂, welche die Triebkraft ist, unter deren Wirkung die Verdrängung des flüssigen Wärmeträgers aus der Rohrleitung 13 und dem Ringspalt 16 der Kondensationskammer 4 sowie die Füllung der stirnseitigen Hohlräume 5 und 6 der Verdampfungskammer 1 und des axialen Längskanals 7 des Verdampfers 3 (Fig. 1) mit demselben erfolgt. Also entstehen bei der Arbeit der Wärmeübertragereinrichtung mit einem Neigungswinkel φ = + 90° zwei freie Grenzflächen Dampfflüssigkeit in ihr. Die eine von ihnen stellt sich in einer bestimmten Höhe y—y (Fig. 1) im oberen stirnseitigen Hohlraum 5, die andere in einer Höhe z—2 im Ringspalt 16 der Kondensationskammer 4 ein. Diese Standhöhen sind beweglich, und ihre Lage wird durch eine ganze Reihe von Faktoren wie beispielsweise die Wärmebelastungsgröße und die Intensität der Wärmeableitung von der Kondensationskammer 4 bedingt. Wenn man annimmt, daß die Dampftemperatur und der Dampfdruck über der Standhöhe y—y T₂ und P₂ und die Dampftemperatur sowie der Dampfdruck über der Standhöhe z— ζ jeweils Tj und Pz sind, so sieht die Bedingung für die Stabilität der Säule des flüssigen Wärmeträgers zwisehen den Standhöhe y—y und z—z mit Rücksicht auf die Verluste T^ < T\ und Pi < P\ wie folgt aus:

i-i - ft -

■■ APg + APi₁

wo APi₁ die Druckverluste des sich in flüssiger Phase befindenden Wärmeträgers in der Rohrleitung 21 und im Ringspalt 16, N/m², bedeutet

Wenn man annimmt, daß die Höhe der flüssigen Wärmeträgersäule in etwa der Länge der Wärmeübertragereinrichtung gleich ist, so läßt sich AP_g ermitteln.

Außerdem sind zur Gewährleistung der Funktionstüchtigkeit der in Rede stehenden Einrichtung auch noch folgende Bedingungen zu erfüllen:

APi-2 = Pt-P₂ =

AP_C > AP\ _2

-2 + AP,

wo Ai₂ die Druckverluste des sich in flüssiger Phase befindenden Wärmeträgers im Verdampfer 3, N/m², bedeutet
Da aber APi = APi₁ + APi₂ , so läßt sich schreiben, daß

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ίο

AP_C > APg + APi + A P_v.

Aus der letzten Schreibweise ist zu ersehen, daß die Funktionstüchtigkeit der vorliegenden Wärmeübertragereinrichtung durch dieselbe Bedingung wie für die gewöhnlichen Wärmerohre ausgedrückt ist.

Da die Druckverluste APi₁ bei der Bewegung des sich in flüssiger Phase befindenden Wärmeträgers über die glatte Rohrleitung 21 und den Ringspalt 16 relativ gering sind, so können die Druckverluste APi₂ in den Kapillaren des Verdampfers 3 größer gemacht werden, indem ihr Halbmesser r_c vermindert und hierdurch der Kapillardruck APc vergrößert wird.

Die Vergrößerung des Kapillardrucks AP₀ kann der Kompensierung des hydrostatischen Widerstandes AP₁ dienen, der bei den Orientatierungen des Wärmeübertragereinrichtung entsteht, die durch die Neigungswinkel ψ > 0° gekennzeichnet sind.

Die Vergrößerung der Verdampfungsfläche, die zur Verringerung der Druckverluste AP₁. im Dampf führt, sowie die Verminderung der Druckverluste APi₂ in der Flüssigkeit dank der Differenzierung der Größe des Ringspaltes 16 gestatten, den hydraulischen Widerstand der Wärmeübertragereinrichtung zu verringern und folglich den Aufwand des Kapillardrucks AP_C für den hydrostatischen Widerstand AP₁ zu erhöhen.

All das erlaubt es, den Wärmestrom in der Wärmeübertragereinrichtung sogar bei deren Orientierung im Massenkräftefeld mit einem Neigungswinkel φ = + 90° zu vergrößern und den Wärmestrom auf eine ausreichend große Entfernung zu übertragen.

Bei der Orientierung der Einrichtung mit den Neigungswinkeln φ < 0° geht ihre Arbeit unter günstigeren Bedingungen vor sich, weil der hydrostatische Widerstand APg entweder bei φ = 0° praktisch fehlt oder der Gleichung (1) mit Minuszeichen (—) gehorcht und an den Kapillardruck AP_C bei φ < 0° addiert wird. Eine spezielle Betrachtung dieser Betriebsarten erübrigt sich.

Also wird dank der Vergrößerung des Kapillardrucks APc und der Umverteilung der Druckverluste im Dampf und im flüssigen Wärmeträger mit Hilfe von konstruktiven Vervollkommnungen die Schaffung einer hocheffektiven Wärmeübertragereinrichtung möglich, deren Masse, Abmessungen und konstruktive Einfachheit mit denen der üblichen Wärmerohre vergleichbar sind, während der übertragene Wärmestrom und die Entfernung des Wärmetransports bei Orientierungen mit den Neigungswinkeln, die + 90° nahe oder gleich sind, im Massenkräftefeld um ein mehrfaches größer sind.

Bei einem ausreichend großen Durchmesser der Verdampfungskammer 1 kann der Wärmewiderstand der Wärmeübertragereinrichtung in einer Ausführungsform, die in Fig. 6 dargestellt ist, vermindert werden. Die Verdampfungskammer 1 enthält ein Innenrohr 26 (Fig. 7), das an den Stirnwänden 27 und 28 (Fig. 6) der Verdampfungskammer befestigt und im axialen Längskanal 7 des Verdampfers 3 mit einem radialen Spalt 29 angeordnet ist der zur Durchführung des Wärmeträgers zum Verdampfer 3 in radialer Richtung erforderlich ist. Der Innenraum 30 des Innenrohres 26 steht mit der Umgebung in Verbindung.

Die Arbeit der Wärmeübertragungseinrichtung mit einer Verdampfungskammer gemäß dieser Ausführungsform geht ähnlich wie bei der vorstehend beschriebenen vor sich.

In der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinrichtung mit 680 mm Länge und 0,3 kg Masse, die aus rostfreiem Stahl und Nickel gefertigt ist und Azeton als Wärmeträger benutzt, wurde bei der Orientierung im Gravitationsfeld mit einem Neigungswinkel φ + 90" eine Grenzdichte des Wärmestroms in radialer Richtung im Verdampfer von 92 kW/m² bei einer Dampftemperatur von 341 K erzielt. Die Größe des übertragc-

5 nen Wärmestroms betrug hierbei 0,204 kW/m. Bei der Vergrößerung der Einrichtungslänge auf 1050 mm überstieg die Zunahme dieser Größe nicht 10%. Bei Orientierungen der Wärmeübertragereinrichtung mil den Neigungswinkeln φ und φ = — 90° nahm die Wär-

io mestromgröße bei im übrigen gleichen Bedingungen um 15-20% zu.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche 33 Ol 998

1. Wärmeübertragungseinrichtung mit folgenden Merkmalen:

a) in einer Verdampfungskammer ist ein Verdampfer aus Kapillarstoff koaxial angeordnet, der

— mit einem Wärmeträger durchtränkt ist,

— mit einer Wärmequelle in Wärmekontakt steht,

— Dampfabieitungskanäle enthält, die mit einem Dampfsammler in Verbindung stehen und

— einen axialen Längskanal aufweist, der zwei Hohlräume verbindet, die von den beiden Stirnflächen dos Verdampfers und den Wänden der Verdampfungskammer begrenzt sind;

b) eine Kondensationskammer ist an die Verdampfungskammer angeschlossen, derart, daß

— eine erste Rohrleitung den Wärmeträger in der Dampfphase zur Kondensationskammer leitet und

— eine zweite Rohrleitung den Wärmeträger in der flüssigen Phase zur Verdampfungskammer zurückleitet;

dadurch gekennzeichnet, daß

— die Dampfableitungskanäle in Form von Längsnuten (9) und einer Vielzahl von sich mit ihnen schneidenden Ringnuten (10) an der Außenfläche des Verdampfers (3) gebildet sind,

— die Dampfableitungskanäle gegenüber den stirnseitigen Hohlräumen (5,6,) durch glatte Ringbünde (23) strömungsmäßig abgedichtet sind,

— die Kondensationskammer (4) ein konischer Ringspalt (16) ist, der dadurch gebildet ist, daß ein äußeres Rohr {14) und ein sich verjüngendes inneres Rohr (15) koaxial zusammengefügt sind, wobei der Querschnitt des Ringspalt (16) abnimmt,

— die Eintrittsöffnung (20) der zweiten Rohrleitung (21) an der Stelle liegt, wo der Ringspalt (16) minimalen Querschnitt hat,

— die Austrittsöffnung (22) der zweiten Rohrleitung (21) in dem der Kondensationskammer (4) abgewandten Stirnseitigen Hohlraum (5) der Verdampfungskammer (1) liegt und

— die zweite Rohrleitung (21) durch den axialen Längskanal (7) des Verdampfers (3) verläuft.

2. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (9, 10,) an der Außenfläche des Verdampfers (3) ein dreiekkiges Profil mit nach innen weisender Spitze aufweisen.

3. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Verdampfer (3) ein Innenrohr (26) verläuft, das an den Stirnwänden (27,28) der Verdampfungskammer (1) befestigt und im axialen Längskanal (7) des Verdampfers (3) einen radialen Spalt (29) freiläßt, der zum Zuführen des Wärmeträgers zum Verdampfer (3) in radialer Richtung dient, und daß der Innenraum (30) des Innenrohres (26) mit der Umgebung in Verbindung steht