-
Die Erfindung betrifft ein System zur Energieübertragung
zwischen einer Wärmequelle und einer Kältequelle unter
Verwendung eines zweiphasigen Kapillarpumpkreises.
-
Bei zweiphasigen Kapillarpumpkreisen wird die
folgende physikalische Erscheinung ausgenutzt: wenn man an
einem Ende eines erhitzten Kapillarrohrs eine Flüssigkeit
mit entsprechenden Eigenschaften zuführt, tritt diese
Flüssigkeit in das Kapillarrohr bis zu einem Punkt ein, an
dem sie vollständig verdampft. Die Trennfläche der
flüssigen Phase und der Dämpfphase hat eine gekrümmt Form und
wird "Meniskus" genannt. Man stellt auf Höhe des Meniskus
in der Dampfphase eine beträchtliche Druckerhöhung fest,
die dazu benutzt werden kann, das Fluid in einem
geschlossenen Kreis in Umlauf zu bringen, der abgesehen von
Kapillarverdampfern einen geeigneten Kondensator enthält.
-
Die Erscheinungen sind dieselben, wenn man anstelle eines
Kapillarrohrs eine "Kapillarmasse" verwendet, d. h. ein
Material, das eine offene Porosität mit Durchgängen mit im
wesentlichen homogenen Abmessungen von typischerweise 2 bis
20 Mikrometer aufweist.
-
Diese Druckerhöhung wird durch
Oberflächenspannungserscheinungen verursacht. Sie hängt von der Temperatur und der
Natur des Fluids und der festen Wände ab, mit denen es in
Kontakt ist, und ist umgekehrt proportional zum Radius des
Meniskus oder zum Radiusäquivalent, wenn der Meniskus nicht
sphärisch ist. Der Radius des Meniskus oder das
Radiusäquivalent sind ihrerseits mit dem Radius des Kapillarrohrs und
allgemeiner mit dem Krümmungsradius der festen Oberfläche
eng verbunden, in Kontakt mit welcher die Zustandsänderung
stattfindet. Die Druckerhöhung ist somit vernachlässigbar,
wenn die Flüssigkeits/Dampf-Grenzfläche mit festen
Oberflä
chen in Kontakt ist, die Krümmungsradien von einigen 100
Mikrometern haben.
-
Im vorliegenden Text wird von Kapillarverdampfern und
Kondensatoren gesprochen. Diese Begriffe können jedes Mal auch
auf Gruppen von Kapillarverdampfern oder Kondensatoren, die
in einem geschlossenen Kreis parallel angeordnet sind,
angewandt werden.
-
Beispielsweise hat man auf diesem Prinzip Systeme gebildet,
die Ammoniak zwischen -10 und +60ºC mit
Meniskus-Radiusäquivalenten von etwa 10 Mikrometern gebildet, wobei der
auf Höhe der Menisken erzeugte Druck etwa 5 kPa betrug, was
zum Ausgleich der Druckverluste des Kreises ausreicht. Die
Kondensatoren konnten entweder von Kühlern gebildet werden,
die Energie in den Raum abstrahlen, oder von mit anderen
entsprechenden Systemen gekoppelten Wärmetauschern oder
auch von Phasenänderungsvorrichtungen, von Kochern oder
Verdampfern.
-
Derartige Systeme werden heute auf dem Gebiet der
Weltraumtechnik verwendet.
-
Diese Systeme besitzen den Nachteil, daß sie in
geschlossenem Kreis nur in einer Richtung arbeiten können, wobei
das oder die Kapillarrohre sich immer in der Wärmequelle
befinden. An Bord von Raumfahrzeugen kann es geschehen, daß
thermische Übertragungen bald in einer Richtung, bald in
der entgegengesetzten Richtung durchgeführt werden müssen,
und zwar beispielsweise im Fall von tages- oder
jahreszeitlichen Änderungen der Besonnung. In diesem Fall
müssen zwei unabhängige Kreise eingebaut werden, die
abwechselnd und in entgegengesetzter Richtung arbeiten, was
die Anlage kompliziert macht und ihre Abmessungen
vergrößert.
-
Ziel der Erfindung ist es, eine Anlage zu schaffen, die
Energieübertragungen in zwei entgegengesetzten Richtungen auf
einfache Weise und unter einem begrenzten Volumen
gestattet.
-
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein System zur
Übertragung von Energie zwischen einer Wärmequelle und einer
Kältequelle, das folgendes aufweist: einen in der
Wärmequelle angeordneten Kapillarverdampfer, in welchem ein
Fluid in flüssigem Zustand eingeführt wird und vollständig
in den Dampfzustand übergeht, eine Dampfleitung, einen in
der Kältequelle angeordneten Kondensator, in welchem das
Fluid in den flüssigen Zustand zurückkehrt, und eine
Flüssigkeitsleitung, die das Fluid zum Kapillarverdampfer
zurückbringt, wobei das Fluid in einem geschlossenen Kreis
unter der Wirkung des Drucks umläuft, der auf Höhe des
Meniskus erzeugt wird, der die
Flüssigkeits/Dampf-Grenzflächen in den Kapillardurchgängen des Verdampfers bildet,
wobei dieses System das Merkmal hat, daß der geschlossene
Fluidkreis zwei Einheiten aufweist, die jeweils aus einem
mit der Flüssigkeitsleitung verbundenen Kapillarverdampfer
und einem zwischen dem Kapillarverdampfer und die
Dampfleitung eingesetzten Kondensator besteht, wobei eine der
Einheiten sich in der Wärmequelle und die andere in der
Kältequelle befindet und daß die Fluidmenge so berechnet ist,
daß die Verdampfung vollständig in den Kapillardurchgängen
des in der Wärmequelle angeordneten Kapillarverdampfers
stattfindet und daß die ganze Kondensation in dem in der
Kältequelle angeordneten Kondensator stattfindet.
-
In der Wärmequelle erzeugt also die Verdampfung im
Kapillarverdampfer die Druckerhöhung, die dazu erforderlich ist,
um das Fluid in Bewegung zu setzen. In der Kältequelle
tritt, wenn die Kondensation im Kapillarverdampfer
stattfindet, in diesem eine Druckdifferenz in entgegengesetzter
Richtung auf, die von derselben Größenordnung sein könnte,
wobei die Abweichung hauptsächlich von den
Temperaturdifferenzen zwischen der Wärmequelle und der Kältequelle
abhängt. Da nämlich die Kondensation im Kondensator der
Kältequelle stattfindet, verhält sich der Kapillarverdampfer,
der auf ihn in der Umlaufrichtung des Fluids folgt, wie ein
einfacher passiver Widerstand, da seine Durchgänge
vollständig mit Kondensationsflüssigkeit gefüllt sind. Die
Kondensation auf den Oberflächen mit großem Krümmungsradius
des Kondensators erzeugt nur umgekehrte Drücke, die
praktisch vernachlässigbar sind.
-
Die Füllung des Kreises muß mit Genauigkeit vorgenommen
werden, damit die Zustandsänderungen des Fluids an den
vorgesehenen Stellen stattfinden. Eine gewisse Freiheit ist
durch die Länge der Durchgänge im Kapillarverdampfer und
die Abmessungen des Kondensators gegeben. Diese Freiheit kann
beispielsweise im Fall einer Senkung der Temperatur der
Flüssigkeit, die deren Schrumpfung mit sich bringt,
überschritten werden. Man hat überraschenderweise festgestellt,
daß das Systeme selbst in diesem Fall, der einer
"Unterfüllung" entspricht, weiterhin korrekt arbeitet, während sich
auf der Seite des Kapillarverdampfers, die normalerweise
mit der Flüssigkeit in Kontakt ist, eine Dampfblase
gebildet hat, und zwar solange diese Blase von der Dampfleitung
vollständig durch Flüssigkeit getrennt ist, die im
Kapillarverdampfer durch Kapillarität zurückgehalten wird.
-
Es ist also möglich, die Fluidmenge so zu berechnen, daß
sich unter allen Betriebsbedingungen mindestens eine
Flüssigkeitsdampfgrenzfläche im Kapillarverdampfer befindet,
wobei ggf. trotzdem eine Dampfblase ohne Verbindung mit der
Dampfleitung auf der Flüssigkeitsseite des
Kapillarverdampfers befinden kann.
-
In dem Fall, in dem der Kapillarverdampfer aus einer Masse
mit gesteuerter Porosität besteht, in der die Flüssigkeit
unter Bildung von Menisken mit kleinem Radius oder
Radiusäquivalent verdampfen kann, wobei diese Masse in einem Raum
zwischen zwei Kammern angeordnet ist, deren eine mit der
Flüssigkeitsleitung und deren andere mit der Dampfleitung
verbunden ist, ist der Kondensator der Kältequelle gemäß
einer vorteilhaften Ausführungsform mindestens zum Teil aus
derjenigen dieser Kammern gebildet, die mit der
Dampfleitung verbunden ist. In dem Fall, in dem die gesamte
Kondensation in dieser Kammer, d. h. im Inneren des Raums der
Kapillarverdampfungsvorrichtung im herkömmlichen Sinn des
Worts, stattfinden kann, gelangt man zu einer bemerkenswert
einfachen und kompakten Einheit.
-
Gemäß einer verbesserteren Ausführungsform sind mehrere
Wärmequellen und/oder Kältequellen vorgesehen und ist
mindestens eine dieser Einheiten vorgesehen, die aus einem
Kapillarverdampfer und einem Kondensator in jeder Wärmequelle
und in jeder Kältequelle bestehen.
-
Auf unvorhergesehene Weise wurde festgestellt, daß sich das
System selbst bei beträchtlichen Temperaturdifferenzen
zwischen den Wärmequellen oder zwischen den Kältequellen
selbst stabilisiert.
-
Die Erfindung wird nun ausführlich anhand von praktischere
Beispielen beschrieben, die in der beiliegenden Zeichnung
dargestellt sind. In dieser zeigen:
-
Fig. 1 ein Prinzipschema eines Systems des Stands der
Technik,
-
Fig. 2 ein Prinzipschema eines erfindungsgemäßen Systems,
-
Fig. 3 und 4 einen Längsschnitt bzw. einen Querschnitt
durch eine Kapillarverdampfungsvorrichtung der
herkömmlichen Technik,
-
Fig. 5 eine schematische perspektivische Darstellung der
Anordnung von mehreren Kapillarverdampfungsvorrichtungen,
-
Fig. 6 eine schematische Darstellung, die einen Meniskus
zeigt.
-
Fig. 1 zeigt ein Prinzipschema eines Systems zur
Übertragung der Wärmeenergie einer Zone A, Wärmequelle genannt, zu
einer Zone B mit niedrigerer Temperatur, Kältequelle
genannt.
-
Dieses System besitzt einen geschlossenen Kreis, in dem ein
Fluid umläuft, das, je nach den Betriebstemperaturen
Wasser, Ammoniak, ein "Freon" u. s. w. sein kann. Dieser Kreis
besteht aus parallel geschalteten
Kapillarverdampfungsvorrichtungen 1, ebenfalls parallel (oder in parallelen
Reihen) geschalteten Kondensatoren 2, einer Dampfumlaufleitung
3 und einer Flüssigkeitsumlaufleitung 4. Die Umlaufrichtung
des Fluids wird mit den Pfeilen 5 angegeben.
-
Die Fig. 3 und 4 zeigen die Struktur einer
Kapillarverdampfungsvorrichtung, wie sie gewöhnlich verwendet wird.
Diese Vorrichtung besitzt ein Metallrohr 6 mit einem
Eintritt 7 an einem Ende und einem Austritt 8 am
entgegengesetzten Ende. Im Inneren des Rohrs wird ein Zylinder 9
aus porösem Material durch Stege 10 zum Rohr 6 koaxial
gehalten. Dieses poröse Material besteht aus parallelen
Fasern, die so angeordnet sind, daß sie zwischen sich
Durchgänge mit bestimmter Höchstabmessung beispielsweise von
etwa 20 Mikrometern, bilden und das darstellen, was man
einen "Kapillardocht" nennt.
-
Das poröse Material kann aus jedem Material mit Poren mit
geeigneten, im wesentlichen homogenen Abmessungen bestehen,
beispielsweise aus Sinterstoffen aus Metall, Kunststoff
oder Keramik.
-
Fig. 5 zeigt eine Wärmequelle, die aus einer Platte 11
besteht, auf eine deren Seiten Einrichtungen 12 montiert
sind, die Wärme freisetzen und/oder die gekühlt werden
sollen. Auf der entgegengesetzten Seite der Platte sind
Kapillarverdampfungsvorrichtungen 1 befestigt, deren Eintritt 7
mit einer Flüssigkeitsleitung 5 verbunden ist und mit dem
leeren Innenraum 13 (vgl. Fig. 4) des Kapillardochts 9
verbunden ist, und deren Austritt 8 mit einer Dampfleitung 3
verbunden ist und mit dem ringförmigen Raum 14 zwischen dem
Rohr 6 und dem Kapillardocht 9 in Verbindung steht.
-
Bei normalem Betrieb ist der leere Innenraum 13 mit
Flüssigkeit gefüllt und ist der ringförmige Raum 14 mit Dampf
gefüllt. Die Flüssigkeitsdampfgrenzfläche besteht aus einer
Gruppe von Menisken 15 (Fig. 6) mit im wesentlichen
gleichen Radiusäquivalenten, die sich alle in der Dicke der
porösen Masse 9 befinden.
-
In der herkömmlichen Technik sind die oben beschriebenen
Kapillarverdampfungsvorrichtungen unter dem Namen
"Kapillarverdampfer" bekannt. Aus dem Vorstehenen ergibt sich,
daß im Sinne des vorliegenden Textes nur die poröse Masse 9
den eigentlichen Kapillarverdampfer bildet, während der
leere Raum 13 und der Raum 14 funktionell Verlängerungen
der Flüssigkeitsleitung oder der Dampfleitung sind.
-
Die Erzeugung eines Umlaufs des Fluids wird durch die
Erhöhung des Drucks des Dampfs in den Kapillarverdampfern
bewirkt, der auf Höhe der Menisken erzeugt wird, wo die
vollständige Verdampfung der Flüssigkeit stattfindet. Während
der Durchquerung des Kapillardochts erwärmt sich die
Flüssigkeit sehr schnell (die Durchsätze sind sehr gering) und
verdampft vollständig auf Höhe der Menisken mit quasi
konstanter Temperatur. Die Erhöhung des Drucks ist
proportional zur Oberflächenspannung des Fluids und umgekehrt
proportional zum Radiusäquivalent der Menisken (man arbeitet
mit Radien unter 10 um). Der Fluiddurchsatz in jedem
Verdampfer stellt sich auf diese Weise ständig selbst ein, so
daß man am Austritt jedes Verdampfers ausschließlich reinen
Dampf erhält.
-
Um einen korrekten Betrieb der Kapillarverdampfer zu
erhalten, ist es unbedingt erforderlich, daß am Eintritt jeder
Kapillarverdampfungsvorrichtung nur Flüssigkeit auftritt.
Diese Vorrichtungen können also nur parallel angeordnet
werden. Außerdem muß ein Isolator 16 (Fig. 1) am Eintritt
jedes Verdampfers positioniert sein. Dieser Isolator hat
die Aufgabe, eine Dampfrückkehr (in das
Flüssigkeitshauptrohr des Kreises) zu verhindern, die im Verdampfer bei
ei
nem versehentlichen Abreißen auftreten könnte
(beispielsweise bei einer zu starken Leistungseingabe).
-
Der reine Dampf wird zu den Kondensatoren 2 befördert, bei
denen der vom Fluid erforderte Energieabzug stattfindet,
und zwar entweder durch Kühler (die die Energie in den Raum
abstrahlen) oder durch Wärmetauscher, die mit anderen
Kreisen gekoppelt sind, oder durch Phasenwechselsysteme wie
Kocher oder Verdampfer.
-
An dem Flüssigkeitsaustrittsrohr der Vorrichtung won Fig. 1
ist ein Unterkühler 17 angeordnet. Dieser Unterkühler hat
die Aufgabe, den Dampf zu kondensieren, der zufällig in
nicht nominalen Situationen am Austritt eines der letzten
Kondensatoren nicht vollständig kondensiert wurde.
-
Die Betriebstemperatur des Kreises wird durch einen
zweiphasigen Druckausgleichsbehälter 18 gesteuert. Dieser
Behälter wird thermisch (Heiz- und Kühlsystem) so gesteuert,
daß eine Steuerung seiner Verdampfungstemperatur
gewährleistet wird, die auch die Verdampfungstemperatur auf Höhe der
"kalten Platten" 11 und Wärmetauscher ist (abgesehen von
den Druckverlusten, die minimal sind).
-
Mit einem solchen Kreis kann man mit einer guten
Genauigkeit (in den meisten Fällen besser als ein Grad) eine
Solltemperatur steuern, und zwar unabhängig von den
Leistungsänderungen, denen die Schleife auf Höhe der Verdampfer oder
Kondensatoren unterliegt.
-
Die Höchstleistung, die befördert werden kann, ist durch
den maximalen Druckanstieg, den die Kapillarverdampfer
gewährleisten können, und durch die Summe der Druckverluste
des Kreises bei der betreffenden Höchstleistung bedingt.
Bei Ammoniak und Meniskus-Radius-Äquivalenten von 10 um
kann man Druckanstiege von etwa 5000 Pa erreichen.
-
Fig. 2 zeigt ein Schema eines erfindungsgemäßen
Energieübertragungssystems.
-
In jeder der Quellen A und B besitzt der Kreis Einheiten,
die jeweils aus einem mit einem Kondensator 2A, 2B in Reihe
geschalteten Kapillarverdampfer 1A, 1B bestehen, wobei eine
Dampfleitung 3 mit jedem der Kondensatoren 2A und 2B und
eine Flüssigkeitsleitung 4 mit jedem der Kapillarverdampfer
1A, 1B verbunden ist. Ferner ist eine Einrichtung 20 zum
Erhitzen der Dampfleitung vorgesehen, die eine geringe
Leistung hat. Es gibt keinen Druckausgleichsbehälter 18 und
keinen Isolator 16.
-
Wenn die Temperatur der Quelle A höher als die der Quelle B
ist, hat das Fluid die mit den Pfeilen 21 dargestellte
Umlaufrichtung. Die Verdampfer 1A sind aktiv. Die Flüssigkeit
am Eintritt der Verdampfer durchquert die Kapillardochte 9
und verdampft in diesen. Der Dampf tritt aus jeder
Verdampfungsvorrichtung (mit einer Kapillardruckerhöhung) aus und
durchquert die "warmen" Kondensatoren 2A, die damit inaktiv
sind. Der Dampf wird am Austritt aus diesen Kondensatoren
gesammelt und wird in einem Rohr 3 zum Eintritt der
"kalten" Kondensatoren 2B befördert. Der Dampf kondensiert
in diesen Kondensatoren teilweise oder vollständig. Eine
zweiphasige oder einphasige flüssige Mischung tritt also in
die Verdampfungsvorrichtungen 1B in der Richtung ein, die
zu einem für einen Verdampfer normalen Betrieb
entgegengesetzt ist. Der restliche Dampf kondensiert vollständig in
dem ringförmigen Raum 14 der Verdampfungsvorrichtungen 1B.
Aus diesen Verdampfern tritt nur Flüssigkeit aus. Die
Flüssigkeit wird gesammelt und in dem Rohr 4 zum Eintritt
der Verdampfer 1A befördert, wodurch der Kreis geschlossen
wird. Im Flüssigkeitsrohr kann man zeitweise eine partielle
Verdampfung der Flüssigkeit zulassen.
-
Wenn die Quelle B wärmer als die Quelle A wird, ist die
Umlaufrichtung des Fluids die mit den Pfeilen 22 dargestellte
Richtung. Nun arbeiten die Verdampfer 1B als Verdampfer,
die Kondensatoren 2B sind inaktiv, die Kondensatoren 2A
sind aktiv und die Verdampfungsvorrichtungen 1A arbeiten
als zusätzliche Kondensatoren auf Höhe ihres ringförmigen
Raums 14.
-
Diese ringförmigen Räume, die in den
Kapillarverdampfungsvorrichtungen enthalten sind, bilden hierbei in
funktioneller Hinsicht einen Teil der Kondensatoren 2A.
-
Wenn man eine Wärmeübertragung zwischen den einzelnen
Quellen herstellen möchte und die Übertragung nicht stattfin_
det, muß man das Verdampfungsrohr 3 (typischerweise mit
1 W/m) mit Hilfe der Heizeinrichtung 20 während
typischerweise einer Stunde leicht erwärmen, um die Flüssigkeit, die
sich darin befinden könnte, auszutreiben.
-
Wenn die Kondensationsvermögen der ringförmigen Räume 14
der inaktiven Verdampfer ausreichend sind, können alle
Kondensatoren wegfallen. Der Kreis besteht hierbei
ausschließlich aus herkömmlichen Verdampfungsvorrichtungen, von denen
die einen als Verdampfer und die anderen als Kondensatoren
arbeiten.
-
Das für zwei Wärmequellen vorgeschlagene Konzept kann auf
ein Konzept mit mehreren Quellen ausgedehnt werden (man
kann pro "Verdampfer-Kondensator" eine andere Quelle haben,
wobei sich das System von selbst anpaßt). Es ist auch nicht
erforderlich, daß die Kapillarverdampfer 1A, 1B oder die
Kondensatoren 2A, 2B der Quellen A und B in der Anzahl oder
in den Leistungen identisch sind oder daß die Anzahl der
Verdampfer-Kondensator-Einheiten in allen Quellen dieselbe
ist.
-
Im Bereich der Weltraumtechnik kann das erfindungsgemäße
System zur Durchführung einer Wärmeübertragung zwischen den
verschiedenen Teilen eines Raumfahrzeugs verwendet werden,
die in Abhängigkeit von der Zeit verschiedenen Wärmeflüssen
ausgesetzt sind (tageszeitliche oder jahreszeitliche
Beson
nung, Wärmedissipation...). Die Vorteile dieses Kreistyps
gegenüber dem gegenwärtigen Konzept bestehen im
wesentlichen in der Möglichkeit der Durchführung von
Wärmeübertragungen in zwei Richtungen mit einem einzigen Kreis, was zu
einer Vereinfachung und zu einer Reduzierung der
Massebilanz beiträgt.