Varme rør

Et varmeledning er en varmeveksler som bruker fordampningsvarmen til et medium for å oppnå en høy varmestrømningsdensitet . På denne måten kan store mengder varme transporteres over et lite tverrsnittsareal.

Det skilles mellom to typer varmerør: varmerøret og tofaset termosifon . Det grunnleggende funksjonelle prinsippet er det samme for begge design; forskjellen ligger i retur av det gassformige arbeidsmediet til fordamperen, dvs. H. til det punktet hvor det påføres varme. Returtransporten foregår passivt i begge design og derfor uten hjelpemidler som sirkulasjonspumpe .

Den termiske motstanden til et varmerør ved arbeidstemperatur er betydelig lavere enn metaller. Oppførselen til varmerørene kommer derfor veldig nær den isotermiske tilstandsendringen. Temperaturen er nesten konstant over lengden på varmerøret. Med samme overføringskapasitet er det derfor mulig å gjøre betydelig lettere design enn med konvensjonelle varmevekslere under samme driftsforhold. Ved å velge arbeidsmediet for varmerøret nøye kan du oppnå driftstemperaturer fra noen få Kelvin til ca 3000 Kelvin.

Skjematisk snitt gjennom et varmerør

Evnen av et varmerør til transportenergi avhenger i stor grad av den spesifikke fordampning entalpi (i kJ / mol eller kJ / kg) av arbeidsmediet og ikke på den termiske ledningsevnen av karveggen eller arbeidsmedium. Av effektivitetshensyn betjenes vanligvis et varmerør rett over den varme enden og rett under kokepunktet til arbeidsmediet i den kalde enden .

Funksjon og skille

Arbeidsprinsipp for en termosifon.

Tverrsnitt gjennom et varmerør. Kapillæreffekten genereres av et innsatt kobbertrådnett.

Struktur og driftsprinsipp

Varmerør blir vanligvis langstrakte metall fartøy som inneholder et hermetisk forseglet volum. Den er fylt med et arbeidsmedium (f.eks. Vann eller ammoniakk), som fyller volumet i liten grad i flytende tilstand og i stor grad i gassform.

Den delen av fartøyet som tjener til å absorbere energi kalles fordamperen, de som tjener til å frigjøre energi kalles kondensatoren . Fordamperen kan være i den ene enden eller i midten.

• Varmeinntak øker temperaturen på fartøyet og arbeidsmediet til kokepunktet til arbeidsmediet er nådd; derfra begynner arbeidsmediet å fordampe ; temperaturen stiger ikke lenger; I stedet blir all den tilførte energien omgjort til fordampningsvarme .
• Som et resultat økes trykket i varmerøret lokalt over væskenivået, noe som fører til en lav trykkgradient inne i varmerøret. Den resulterende dampen begynner å distribuere seg i hele tilgjengelig volum, dvs. H. den flyter uansett hvor trykket er lavere; Den kondenserer på punktene der temperaturen faller under arbeidsmediets kokepunkt . For å gjøre dette må dampen avgi energi til fartøyet og fartøyet til miljøet. Dette skjer sterkest på det punktet hvor kondensatoren er plassert, der aktiv kjøling kan finne sted.
• Temperaturen synker ikke lenger før all den latente varmen, kondensvarmen , har blitt frigitt i miljøet.
• Den flytende delen av arbeidsmediet returnerer til fordamperen ved tyngdekraft ( termosifon ) eller ved kapillærkrefter ( varmeledning ). For at sistnevnte skal fungere, må andelen arbeidsmedium i flytende tilstand være lavere der.

Eksempel på kapillærstrømning i en murstein, til siden der det er mindre væske (her mot tyngdekraften oppover). I varmerøret ville varmekilden være på toppen, der det er lite væske, og mye væske i bunnen fordi kondens foregår der på grunn av avkjøling.

Damp strømmer til kjølesonen, en film av kondens strømmer / strømmer / kryper tilbake. Drivkraften er adhesjonskraften , effekten er beskrevet under kapillaritet . Se bildet motsatt.

Siden dampen og væsken i arbeidsmediet er i samme rom, ligger systemet i det våte dampområdet . Som et resultat er det nøyaktig en viss temperatur i varmerøret ved et bestemt trykk. Siden trykkforskjellene i varmerørene er svært små, vanligvis noen få Pascal , er temperaturforskjellen mellom fordamperen og kondensatoren også liten og er maksimalt noen få Kelvin . Et varmerør har derfor svært lav termisk motstand . Området mellom fordamperen og kondensatoren er praktisk talt isotermisk .

Siden varmetransporten foregår indirekte via materialbundet transport av latent varme (fordampning / kondensvarme), er påføringsområdet til et varmeledning begrenset til området mellom smeltetemperaturen og temperaturen til det kritiske punktet på arbeidsvæsken. Alle krefter som virker på arbeidsmediet, påvirker også den faktiske varmetransportytelsen. Tyngdekraften kan supplere eller delvis avbryte kapillærkreftene i varmerørene. Sentrifugalkraften virker også i roterende hule sjakter konstruert som varmerør .

Forskjell

Med tyngdekraftsdrevne varmerør ( tofaset termosifon eller gravitasjonsrør ) sirkler mediet på grunn av tyngdekraften . Som et resultat flyter varmeoverføringsmediet automatisk tilbake i fordamperen. Varmen tilføres ofte bare via kummen , dvs. opp til høyden på væskenivået. Dette avhenger av filmdannelsen av det flytende (flytende) mediet. Hvis termosyfoner er justert med en flat helling, kan de tørke ut hvis det kondenserte mediet ikke strømmer tilbake raskt nok.

Varmerørene bruker veke-prinsippet for å lede kondensert fluid tilbake til fordamperen. Prosessen er derfor uavhengig av stillingen; Varmeledninger fungerer også under vektløshet . Sammenlignet med termosifoner har de neppe en tendens til å tørke ut, siden væskestrømmen gjennom kapillæren er betydelig forbedret, noe som fører til en høyere overførbar varmestrøm. Kapillarkonstruksjonen sørger også for at varmen, i motsetning til termosifonen, kan tilføres hvor som helst og i hvilken som helst høyde. Varmeledninger brukes overalt hvor det er nødvendig med høy varmestrømnings tetthet i enhver retning.

Arbeidsmedier

Fordampningstemperaturer (trykkavhengig) for noen stoffer i varmerør

Arbeidsmediumets arbeidskapasitet i et varmerør avhenger av både termodynamiske egenskaper som entalpi av fordampning og fluidegenskaper som kinematisk viskositet og overflatespenning . Overflatespenning og entalpi av fordampning skal være så stor som mulig og viskositeten så lav som mulig. På denne måten kan det optimale varmeoverføringsmediet for driftspunktet bestemmes. ${\ displaystyle \ Delta h_ {v}}$ ${\ displaystyle \ nu _ {l}}$ ${\ displaystyle \ sigma}$

Den Merit nummer ( Merit nummer , Me ) som en spesifikk ytelse mengde kan beregnes som:

${\ displaystyle Me = {\ frac {\ sigma \ cdot \ Delta h_ {v}} {\ nu _ {l}}}}$

Enheten er altså watt per kvadratmeter; Men Me tilsvarer ikke en reell tetthet av varmestrøm .

Fortjenestetallet skal være så stort som mulig i det angitte arbeidsområdet (temperatur, varmestrømningsdensitet) til varmerøret, slik at varmeoverføringen til varmerøret er så stort som mulig. Det skal bemerkes at disse egenskapene avhenger av temperaturen. Normalt er Me bestemt for flere mulige varmebærere, og den fungerer da som et beslutningshjelpemiddel for å velge riktig medium.

Ved svært lave temperaturer brukes medier som er gassformige under romforhold. Gasser som helium og nitrogen kan brukes til å dekke temperaturområdet nær absolutt null (0 K) ned til rundt -20 ° C. Typiske kjølemidler som ammoniakk eller blandinger brukes også. Fra 0 ° C kan vann brukes som varmeoverføringsmedium. Avhengig av varmeledningens mulige trykkmotstand (damptrykk), er vann tilstrekkelig opp til et temperaturområde på 340 ° C. (Jf. Kritisk vannpunkt ved 374 ° C.) Fra en temperatur på 400 ° C snakker man om varme temperaturrør. Alkalimetaller som natrium og litium er de beste varmebærerne her i henhold til merittnummeret. Den øvre grensen for området er primært begrenset av styrken til materialet som brukes til varmerøret.

materialer

Ulike materialer brukes avhengig av de ytre forholdene. Oppføringen til varmeoverføringsmediet i forhold til materialet spiller også en rolle her. For eksempel oppløser natrium komponenter fra stål, noe som vil føre til svikt i et varmerør over lang tid.

Varme rør

I de lavere temperaturområdene brukes kobber hovedsakelig fordi det er lett å forme og har høy varmeledningsevne . Når det gjelder varme temperaturrør, brukes hovedsakelig varmebestandige stål som 1,4841 eller nikkelbaserte legeringer . Vekeformen er i stor grad avhengig av driftspunktet. En veke med lav strømningsmotstand brukes overalt hvor varmerøret drives ved kapillærkraftgrensen. Rillede kapillarkonstruksjoner er typiske for dette. Når det gjelder varme temperaturrør, brukes vanligvis nettmasket trådnett på grunn av varmeoverføringsmediets høye tetthet. Enda enklere typer brukes i kobber-vann-varmeledninger, i likhet med kobberledere i elektriske kabler, hovedsakelig på grunn av deres rimelige produksjon.

Termosifon

For applikasjoner i konstruksjonen er termosifoner vanligvis laget av konvensjonelle strukturelle stål.

Historie og utvikling

Et første varmerør ble patentert i 1944. Imidlertid var det fremdeles ingen nyttig applikasjon på dette tidspunktet. Først på 1960-tallet ble romfart avgjørende utviklet at denne ideen ble tatt opp igjen. Selv i dag brukes varmeledninger til å kjøle den solvendte siden av satellitter. Det første varme temperaturrøret ble presentert i 1964. Siden da har de fysiske beskrivelsene som egenskapene til visse varmebærere, kapillarkonstruksjoner og den analytiske beskrivelsen av varmerør blitt utvidet betydelig. Det pågår fortsatt forskning på varmeledninger i dag, fordi de representerer et billig og svært effektivt middel for varmeoverføring.

applikasjon

På grunn av den fleksible utformingen og variasjonen av egenskaper, brukes varmeledninger i mange områder i dag. De siste årene har de fått større offentlig bevissthet på grunn av deres bruk i PCer og bærbare datamaskiner . Den totale høyden på notatbøker kunne reduseres betydelig ved bruk av varmeledninger, siden de faktiske spillvarmekonvektorene på varmeledningene kunne festes direkte på utsiden. Den økte varmeoverføringen gjorde det mulig å integrere kraftigere grafikkprosessorer.

Mye tidligere, på 1960-tallet, ble varmerør brukt i romteknologi. Spesielt når det gjelder satellitter , minimerer bruken av varmerør temperaturgradienten mellom siden som vender mot solen.

Datateknologi

Varmeledning mellom prosessor og vifte i en bærbar PC

Konvensjonelle kjøleribber for kjøling av mikroprosessorer er basert utelukkende på tvungen konveksjon på kjølefinner . For å oppnå best mulig varmeoverføring her, må ventilatoren eller ventilatoren sitte så nær ribbenene som mulig på grunn av ribbenens begrensede varmeledningsevne. Den oppvarmede luften strømmer i retning hovedkortet og øker overflatetemperaturene til de tilstøtende komponentene. I tillegg er det vanligvis mer plass lenger borte fra hovedkortet, noe som betyr at en billigere form kan brukes, noe som betyr at en større overflate kan oppnås uten å øke massen på varmeavlederen. Videre er varmespredningen i huset veldig ikke-retningsbestemt. På den annen side er kjølere som bruker varmeledninger ikke avhengig av lokal nærhet fordi de tillater frakobling av varmeabsorpsjon og utgang på grunn av deres funksjon. Du kan derfor avgi spillvarme på en målrettet måte i luftstrømmen til husviftene. Sammenlignet med vannkjøling, som ofte brukes som et alternativ, krever ikke varmerørene en sirkulasjonspumpe, noe som fører til ytterligere støygenerering.

Konstruksjon

Alaska-rørledning med varmerør laget av konvensjonelt konstruksjonsstål. Det forhindrer at undergrunnen tiner. Kjølefinnene kan sees på haugene.

Varmeledninger har blitt brukt siden 1970-tallet for å stabilisere permafrosten under Trans-Alaska-rørledningen . I konvensjonelle konstruksjoner senkes to stålpeler ned i bakken som tar opp rørledningen . I området med permafrost er dette imidlertid ikke lett mulig fordi den varme oljen på 40–80 ° C tiner jorden lokalt gjennom varmeledning via pelene. Haugene ville synke ned og rørledningen ville bli deformert. Hvis lufttemperaturen er tilstrekkelig lav, som vanligvis forekommer i området med permafrost, er det mulig å omgå dette problemet ved å bruke varmeledninger. Varmen ledes ikke i bakken, men slippes ut i luften gjennom kjølefinner festet til varmerørene . I tillegg trekker termosifoner ut varme fra permafrostjorda, noe som betyr at den forblir frossen og dermed stabil. Denne teknikken brukes også på Lhasa-jernbanen for å stabilisere fyllingen på permafrostjord.

Den uavhengige sirkulasjonen av arbeidsmediet i varmerør og dermed eliminering av hjelpenergi fører til økt bruk innen geotermisk bruk. Med konvensjonelle geotermiske sonder, z. B. vann pumpes og den oppnådde geotermiske energien overføres til en varmepumpe . Med karbondioksydsonder er både dobbeltlinjen og pumpenergien for sirkulasjon utelatt.

De brukes også med suksess nå til dags i områder der det ikke er mistanke om direkte varme-teknologi, for eksempel evakuerte rørsamlere . De finnes også i varmegjenvinningssystemer eller i enkle varmevekslere.

Varmeledninger med høy temperatur brukes i allotermisk forgassning av biomasse . Her overfører de varme i området 850 ° C med nesten ingen tap. Takket være et sofistikert konsept gjør varmerørene det mulig å konvertere fast biomasse som flis direkte til høgenergiprodukt.

Motorkjøretøy

Til tross for konstant videreutvikling overskrides den mekaniske effektiviteten på 37% sjelden for en moderne Otto-motor . Andre energier spres som varmetap via kjølevannet og avgassvarmen. For å kjøle ned de termisk høyt belastede utløpsventilene, er noen av dem laget hule og noen er fylt med natrium. Natriumet smelter under drift, og bevegelsen til ventilen sprer varmen fra den spesielt kritiske ventilskiven til ventilspindelen. Bare på denne måten kunne kraftige, luftkjølte store flymotorer gjøres driftssikre.

Kontrollerbare varmerør

Siden varmeledninger, i tillegg til lav vekt og lite volum, har en varmeledningsevne som er opptil 1000 ganger så høy som f.eks. B. en kobberstang , kan varme transporteres målrettet i kjøretøy på en enkel måte. Den eneste ulempen vil være problemet med kontrollerbarhet, dvs. muligheten til å variere varmeledningsevnen som ønsket, for å slå den av eller på. To prinsipper er egnet for kontrollerbarheten til varmerør:

Justerbar varmeoverføring gjennom to koblede varmerør med justerbare metallkropper

Ekstern varmekontroll av varmerør

To varmerør, en hver ved varmekilden og en ved varmeavlederen , løper parallelt med hverandre i endene på liten avstand, uten å berøre hverandre. I dette området er de omgitt av en kropp (kobler) laget av et materiale som leder varmen godt (f.eks. Kobber eller aluminium ) med to hull som styrer varmerørene så presist som mulig. Varmeledningsevnen til hele systemet kan enkelt justeres ved å skyve inn eller trekke ut koblingen, da kontaktområdet mellom varmerørene og koblingen avhenger lineært av innføringsdybden. Koblingen med ekstern kontroll med en liten motor kan flyttes til et lett tilgjengelig sted, forutsatt at den (veldig lave) ekstra termiske motstanden til de lengre varmeledningene tillater denne omkjøringen.

Intern varmekontroll av varmerør

Intern kontroll av varmerør via en ventil. Aktivert til venstre, ikke aktivert til høyre.

Den interne varmetransporten i selve varmerøret kan også styres ved å bruke en ventil eller en gass i varmerøret som et kontrollelement. En gasspjeld som er roterbart montert og styrt fra utsiden av en liten motor, kan variere både strømmen til og fra strømmen til det varmetransportmediet fra varmekilden til varmeavlederen. Alternativt tillater en liten magnetventil plassert inne i varmerøret , implementert av en magnetkule med returfjær, at varmestrømmen gjennom varmerøret i stor grad kan stoppes eller frigjøres igjen.

Sammenlignet med ventilen har gassen den store fordelen at varmeledningsevnen kan kontrolleres kontinuerlig, avhengig av innstillingsvinkelen. Ventilen tillater derimot bare å slå på eller av varmerøret, fordi det bare kan åpnes eller lukkes på grunn av styringen via en elektromagnet. Ulempen med gassventilen, derimot, er dens styreaksel, som må føres til utsiden og som gjør det vanskelig å oppnå hermetisk tetting . Spesielt i motorvogner kan dette føre til uønskede korte vedlikeholdsintervaller.

Bruk av kontrollerbare varmerør i kjøretøy

I en bil kan overskuddsvarme transporteres til nesten hvilket som helst punkt ved hjelp av varmerørsteknologi. Den viktigste varmekilden er eksosanlegget til forbrenningsmotoren. Enorm varmeeffekt er tilgjengelig her umiddelbart etter at motoren har startet. (Eksosgastemperaturen er flere hundre ° C.) Varmen kan også tappes fra oppvarmede overflater i innvendig eller utvendig , fra kraftelektronikken eller i kjøle- eller klimaanlegget. Den kan deretter brukes til innvendig klimaanlegg, setevarme, kjølevann og oppvarming av motorolje eller for at batterier raskere når driftstemperaturen. Kontrollerbarheten til den transporterte varmen er av stor betydning overalt her, noe som allerede er tydelig i komfortområdet.

Romfart

Tverrsnitt gjennom to varmerør ispedd fiberkomposittmateriale. Venstre: Innebygd i sporlignende fordypninger. Høyre: direkte integrasjon

Varmeledninger utsettes ofte for sterke temperatursvingninger, noe som umiddelbart resulterer i svingninger i materialets volum. Hvis varmerøret nå er på et materiale med en betydelig annen termisk ekspansjonskoeffisient (forkortet CTE), oppstår mekaniske påkjenninger som kan skade varmeledningen eller dens eksterne varmeoverføringsflater. Dette faktum er spesielt problematisk på grunn av de enorme temperatursvingningene i romteknologi . Temperaturforskjellen mellom den siden av en satellitt som vender mot solen og den siden som vender bort fra solen kan være 130 Kelvin steder . Her har karbonfiberarmert plast (CFRP) hevdet seg som grunnmaterialet i mange år .

Imidlertid er varmeledninger først og fremst ikke laget av CFRP, men z. B. laget av aluminium . Fordelene med dette elementet er blant annet den lave vekten, den gode egnetheten for produksjon av kapillærstrukturer, den optimale varmeledningsevnen og den kjemiske motstanden mot de mest brukte termisk ledende medier. Imidlertid er koeffisientene for termisk ekspansjon av de to materialene veldig forskjellige: CFRP, med 1 · 10 ⁻⁶  K ⁻¹ opp til 3 · 10 ⁻⁶  K ^{−1, er} bare ca. 1/24 til 1/8 som av aluminium (24 · 10 ^{- 6}  K ⁻¹ ).

Komposittmaterialer laget av aluminium og fiberkomposittmateriale gir et mulig middel . Aluminiumsrøret kombineres på forskjellige måter med fiberkomposittmateriale, som har en veldig lav eller til og med negativ CTE. I praksis er den enten innebygd i hulrom eller sporlignende fordypninger, viklet rundt aluminiumblokken som et slags bur, eller aluminiumet blir trengt gjennom dette, dvs. direkte integrert.

Med denne teknologien oppnås varmeekspansjonskoeffisienter for det samlede systemet på rundt 5 · 10 ⁻⁶  K ⁻¹ (CTE for komposittmaterialet motvirker aluminiums), noe som gjør varmerørsteknologien også egnet for romfart.

Fysisk design

Likningene for å beregne den overførbare effekten til et varmeledning inneholder vanligvis koeffisienter som skal velges på grunnlag av eksperimentelt innhentede data. De spesifikke varmerøregenskapene som typen kapillærstruktur, typen varmeoverføringsmedium, tilgjengelig damprom, driftstemperatur osv. Er avgjørende. Med tilstrekkelig velvalgte ligninger og koeffisienter, kan feilen mellom modell og eksperiment holdes i et smalt rom. De første trinnene i utformingen av et varmeledning er derfor valg av type og oppsett av en tilsvarende numerisk varmeledningsmodell for å simulere den overførbare kraften.

Modellen som ble opprettet, kalibreres ved hjelp av en eksperimentell sjekk eller de virkelige grensene blir bestemt. Hvis det testede varmerøret ikke oppnår den nødvendige ytelsen, utføres endringer (f.eks. Endring av kapillærstrukturen) med sikte på å øke ytelsen. Når det gjelder en rent eksperimentell prosedyre, er det nødvendig med et antall eksperimenter som ikke kan forutsies.

For varmeledninger med liten og middels kraft (<1 kW) er de viktigste ligningene lineære eller kan lineæriseres rundt et utviklingspunkt . Derfor brukes numeriske optimaliseringsmetoder (f.eks.) For å begrense designinnsatsen. Slike prosedyrer reduserer antall eksperimenter på kalibreringstester.

Spesiell oppmerksomhet er gitt til driftsgrensene når du designer systemet. Disse fysiske grensebetingelsene er oppnådd fra parametrene til varmeoverføringsmediet. Nøyaktig kunnskap om det varmeoverføringsmediet som brukes er derfor viktig. Drift er mulig hvis driftspunktet (temperatur, varmestrøm) er innenfor disse grensene.

Følgende grenser blir vanligvis tatt i betraktning:

Viskositetsgrense

Det begrenser varmestrømmens tetthet ved arbeidstemperaturer rett over smeltepunktet. Strømmen er sterkt svekket av viskositetskreftene i dampen.

Grense for lydhastighet

Varmestrømtettheten kan bare økes til dampstrømmen som dannes av trykkforskjellen når lydhastigheten .

Interaksjonsgrense

Ved høy varmeflytstetthet blir væske medtatt av dampen, og delvis tørking av kapillæren fører til et brudd i væskestrømmen.

Kapillærkraftbegrensning

Den kapillarkraften grensen nås når strømningstapene for væskevarmeoverføringsmedium er større enn den eksisterende kapillartrykket.

Kokegrense

Væskestrømmen er begrenset eller stopper opp som et resultat av kjernekoking i kapillæren.

Optimalisering av varmerør

Reduksjon av temperaturmotstanden

I tillegg til å optimalisere materialstrukturer, etc. at effektiviteten av et varmerør kan også økes betydelig ved å modifisere væsken som fungerer som varmeoverførende medium. Forskere ved Tamkang University i Danshui (Taiwan) utviklet en vandig løsning som inneholdt en viss mengde små nanopartikler og sammenlignet dens egenskaper med hensyn til temperaturoverføringsadferd med de av vanlige varmeledningsvæsker.

Det ble her klart at bruk av denne løsningen som et varmetransportmedium i et varmeledning resulterer i en forbedring, dvs. en minimering, av temperaturmotstanden på 10% til 80%. Effektiviteten til denne væsken avhenger ikke bare av typen og den indre strukturen til varmerøret, men også av konsentrasjonen av løsningen og størrelsen på nanopartiklene. Ulike tester har vist at jo mindre diameteren på nanopartiklene er og jo lavere konsentrasjon i den vandige løsningen, jo større er temperaturmotstanden til varmerøret.

35 nm sølvpartikler fungerer som nanopartikler . Mengden partikler i løsningen varierer mellom 1 mg og 100 mg per liter.

Ikke-fuktbar porøs struktur

Representasjon av kondensatkanalen (veken) og dampkanalen til et varmerør

Et stort fremskritt innen varmerørsteknologi ble oppnådd på 1990-tallet gjennom sikker frakobling av kondensat og dampstrøm ved bruk av en såkalt ikke-fuktbar porøs struktur , noe som førte til en betydelig økning i intern overføringskapasitet. Problemet inntil da var at det retur kondensatet bremset den motsatte dampstrømmen gjennom kollisjoner og dermed hadde en negativ innvirkning på temperaturoverføringen.

Denne ikke-fuktbare porøse strukturen, som brukes som dampkanal til varmerøret, har egenskapen til en lavere overflatespenning enn selve det varmetransporterende mediet (som kondensat ). Dermed kan den porøse strukturen bare penetreres av det varmetransporterende mediet i gassform , og eventuelt kondensat forblir utenfor.

Den temperatur transport er lignende som nevnt ovenfor, gjennom varmekretsen ved hjelp av damp og kondensat kanal i stedet. Den ikke-fuktbare porøse strukturen mellom dampkanalen og kondensatkanalen danner grensen mellom fordampingsområdet og kondensasjonsområdet til varmerøret.

Kondensatet fordamper gjennom ekstern varmeforsyning og beveger seg nå gjennom ovennevnte som en gass. Struktur inne i varmerøret, dampkanalen, gjennom hvilken den når kondensområdet. Der, på en varmeavleder , danner skilleveggen, igjen i form av en ikke-fuktbar porøs struktur, overgangspunktet til kondensområdet. På grunn av trykk- eller konsentrasjonsgradienten diffunderer gassen til utsiden og kommer i kontakt med de ytre veggene til varmerøret. På dette tidspunktet avgis varmeenergi og dampen kondenserer. På grunn av den høye overflatespenningen kan kondensatet bare strømme tilbake gjennom kondensatkanalen (kapillæreffekt), på slutten av temperaturen på stedet for varmekilden igjen ved hjelp av ekstern varmeinngang.

Bruk av nanostrukturer

Kapillærvirkning avhengig av porestørrelse

Utviklingen av et amerikansk forskerteam fra 2008 representerer en ytterligere økning:

Ved å bruke nanoteknologi i produksjonen av kapillærstrukturen i varmerør, blir kapillæreffekten på det tilsvarende arbeidsmediet igjen betydelig økt. I det tilstøtende diagrammet kan du tydelig se at når porediameteren på kapillærstrukturen synker, øker høyden på arbeidsfluidet som kan nås kraftig. Mediet av vann gir størst suksess her .

I tillegg til den resulterende større akselerasjonseffekten på arbeidsmediet, har denne teknologien en belastning som væsketransporten i varmerøret gjennom svært små konstruksjoner, slik man ønsker å innse i praksis, for å oppnå størst mulig suksess, er igjen bremset eller til og med helt forhindret fordi porene har blitt for små til å trenge inn. En annen forstyrrende faktor er uønskede inhomogeniteter i materialet (produksjonsrelatert), så vel som de svært høye produksjonskostnadene.

Overopphetingsbeskyttelse for varmerør

Tverrsnitt gjennom et folievarmerør med overopphetingsbeskyttelse

Tverrsnitt gjennom et folievarmerør i normal drift

Tverrsnitt gjennom et folievarmerør ved overoppheting. Det resulterende hulrommet danner en termisk motstand.

Vanligvis er en viss styrke på den ytre kappen til et varmeledning nyttig, ikke bare for å beskytte den mot mekanisk skade, men også for å være i stand til å motstå trykkforskjeller mellom atmosfærisk trykk og indre trykk forårsaket av varmeoverføringsmediet.

Det kan også oppstå problemer hvis varmerøret utsettes for høye temperaturer, dvs. hvis den tilførte varmeenergien er større enn den som kan slippes ut igjen i kondensområdet (varmeavlederen). Dette skaper et ikke tillatt høyt indre trykk, som kan skade ytterkappen og til og med ødelegge varmerøret. Et mulig middel er en teknologi som er patentert i 2005, og som skal forhindre overoppheting gjennom fleksibelt ytre materiale.

Den er bygget på innsiden av en kjent struktur som består av to områder med forskjellige pordiametre (damp- og kondensatkanal). I det midterste området bør det gassformige mediet føres gjennom en porøs materialstruktur med stor pordiameter, og i det ytre området skal kondensatet (via kapillæreffekten) føres gjennom en porøs struktur med en liten pordiameter. Den virkelige forskjellen til det vanlige varmerøret ligger i selve den ytre kappen.Dette består ikke av et stivt materiale, som vanlig, men av to elastiske og også veldig tynne folier som er forbundet i endene og ligger på den ytre kapillærstrukturen. . Internt og eksternt trykk kompenserer hverandre ved normal drift på en slik måte at foliene ligger parallelt med hverandre i en forutbestemt avstand, og den ytre porøse strukturen er i direkte kontakt med varmekilden og varmeavlederen via foliene .

Hvis det oppstår et uventet høyt trykk, det være seg fordi det tilføres mer varmeenergi enn fjernet, virker krefter på det ytre skinnet på varmerøret, som på grunn av dets elastiske egenskaper skyver det utover. Det resulterende kammeret fylles med gassformig varmeoverføringsmedium. Mekanisk skade på varmerøret unngås på denne måten. I tillegg skaper dette fenomenet en termisk motstand mellom kapillærstrukturen som bærer kondensatet og den ytre huden, fordi kondensatet og varmekilden ikke lenger er i direkte kontakt med hverandre, men er skilt fra hverandre av gassen. Den intensiteten av den varmeenergi som virker på kondensatet, dvs. den absorberte varmeenergi, er derfor redusert, noe som ikke gjelder for den energi som avgis, siden dette er lagret i den gass som fortsatt er i kontakt med den ytre hud.

Et annet pluss poeng for denne teknologien med foliedeksel er de mindre ytre dimensjonene til varmerøret - som et resultat av at det massive dekselet blir dispensert. I praksis må det sikres at varmerøret må beskyttes bedre mot mekaniske påvirkninger enn med andre design.

Utvidelse av arbeidsområdet

Representasjon av buffergasssonen og arbeidsområdet til et varmeledning fylt med buffergass

Den operasjonspunktet for et varmerør er vanligvis den temperatur ved hvilken varmetransportmedium kondenseres eller fordamper . De potensielle bruksområdene til et varmeledning er resultatet av denne spesifikke egenskapen, og det er grunnen til at et stort utvalg av varmetransportmedier brukes som arbeidsmedier i praksis. Blandinger av forskjellige kjemikalier brukes ofte her, gjennom hvilke kokepunktet kan varieres til hvilken som helst temperatur.

Ofte er det imidlertid mer fornuftig, det være seg fordi noen stoffer inngår uønskede kjemiske reaksjoner med det varme rørmaterialet som brukes, eller, sist men ikke minst, av kostnadsmessige grunner, å tilpasse en ønsket blanding på en slik måte at den fungerer som et varmetransporterende medium i mange forskjellige temperaturområder. For dette formål er det tilrådelig å kunne justere kokepunktet etter ønske, noe som oppnås i praksis ved hjelp av en buffergass .

Denne såkalte utvidelsen av arbeidsområdet er basert på den fysiske egenskapen til trykkavhengigheten til elementenes kokepunkter. Et ytterligere trinn er nå inkludert i produksjonsprosessen før varmerøret lukkes hermetisk :

Etter fylling med varmetransportmediet og evakuering av overflødige gasser, settes et definert indre trykk ved i tillegg å fylle varmerøret med en gass, den såkalte buffergassen. Dette danner en buffersone i varmerøret som arbeidsmediet ikke kan trenge inn i. Et viktig kriterium for valg av denne buffergassen må være at den under ingen omstendigheter må komme i kjemiske reaksjoner med varmerøret eller med det varmetransporterende mediet i det senere arbeidsområdet. For eksempel, når man bruker arbeidsmediet kvikksølv, kan en inert buffergass som argon eller helium brukes.

Med denne metoden kan et ønsket indre trykk stilles inn, som varierer kokepunktet til arbeidsmediet, og dermed arbeidsområdet til varmerøret, etter ønske.

I tillegg til å kunne stille inn forskjellige driftspunkter ved hjelp av denne metoden, er det også fordelaktig at urenheter som kan oppstå i varmerøret skylles inn i buffersonen og ikke påvirker videre drift, da dette er utenfor kondensat og dampkanal . Ulempen er imidlertid den ekstra plassen som kreves av buffersonen. Som et resultat kan varmeledningen ikke brukes til varmetransport over hele lengden.

Produksjon

Når varmerørets grensebetingelser er utarbeidet, må disse også tas i betraktning under produksjonen. Den vesentlige funksjonen er medietemperaturen eller damptrykket, siden varmerøret først begynner å virke når denne temperaturen er nådd. Koketemperaturen kan justeres termodynamisk via damptrykket . I de fleste tilfeller siktes det til lavest mulig koketemperatur. Når det gjelder vann, vil dette for eksempel være temperaturen på trippelpunktet . Hvis du tar en titt på den tilhørende damp bordet , blir det klart at i tilfelle av vannet et ekstremt lavt trykk er nødvendig for å redusere koketemperatur til rom temperatur, for eksempel .

En av de vanligste metodene er mekanisk evakuering av varmerøret. En tilsvarende pumpe er koblet til, og når et visst trykk (vakuum) er nådd, lukkes vanligvis varmerøret rent mekanisk.

Denne prosessen er kompleks og kostbar. Det er derfor et annet alternativ brukes ved å fylle varmerøret med selve varmeoverføringsmediet, i stedet for evakuering ved hjelp av en vakuumpumpe . For dette formålet er et påfyllingsrør og et kjølerør festet til varmerøret. Det ønskede varmetransportmediet føres inn i varmerøret gjennom fyllingsrøret. Etter denne prosessen blir varmerøret oppvarmet i den andre enden, slik at den vanlige varmesyklusen startes. Nå begynner det fylte mediet, som i utgangspunktet er tilstede som kondensat , å fordampe. Trykket som bygger seg opp som et resultat, får mediet i varmerøret til å ekspandere, og på grunn av kjølerøret slipper alle uønskede gasser, dvs. de som ikke er kondenserbare, gjennom fyllingsrøret.

Hensikten med kjølerøret blir klart på dette punktet: Varmetransportmediet, som i mellomtiden strever som en gass mot påfyllingsrøret, kondenserer gjennom avkjølingen og beveger seg tilbake til varmekilden som kondensat på grunn av kapillærvirkningen til den ytre porestrukturen til varmerøret . Resterende gasser, dvs. alle som ikke er kondenserbare, kommer ikke inn i kapillærstrukturen, men skylles utover av det indre trykket.

Påfyllingsrøret er hermetisk forseglet når alle ikke-kondenserbare gasser er utvist og den stasjonære grensen for luft og varmeoverføringsmedium er plassert direkte på påfyllingsrøret.

Når du bruker dem, bør det bemerkes at varmerørene er lukkede volum. Med denne tilstandsendringen ( isokorisk ) går varmeinngangen direkte inn i trykket. Hvis den tillatte temperaturen overskrides, kan det føre til dampeksplosjon . Dette er spesielt viktig under videre bearbeiding, siden varmeledninger ofte loddes til selve varmeavlederen på grunn av deres bedre varmeledningsevne. Mange varmeledninger er fylt med skadelige stoffer, så varmeledninger skal kastes på riktig måte og ikke åpnes. Åpning fører også vanligvis til tap av funksjonalitet.

Se også

• Motstrømsvarmeveksler

weblenker

• Grunnleggende om varme rør (PDF-fil; 3 MB)
• Definisjon av merittnummer og bruk, engelsk

hovne opp

• Kjølearrangement for en roterende anode (sentrifugalkraft)
• Allotermisk forgassning av fluidisert seng - alternativer for å realisere varmeinngangen i fluidiserte senger (tyngdekraft, varmeledning; PDF-fil; 1001 kB)
• Adrian Bejan, Allan D. Kraus: Heat Transfer Handbook . Wiley & Sons, Hoboken NJ 2003, ISBN 0-471-39015-1 .
• Stephan Kabelac (Red.): VDI Heat Atlas . Publisert av Association of German Engineers, VDI Society for Process Engineering and Chemical Engineering (GVC). 10., revidert og utvidet utgave. Springer-Verlag, Berlin et al. 2006, ISBN 3-540-25503-6 .

Individuelle bevis

1. ↑ M. Groll: Varmeledninger som komponenter i energiteknologi. I: W. Fratzscher, K. Stephan (red.): Bruk av avfallsenergi: tekniske, økonomiske og sosiale aspekter. Akad.-Verlag, Berlin 1995, ISBN 3-05-501706-4 , s. 84. (edoc.bbaw.de ; PDF; 3,1 MB).
2. ↑ ^{a b} W. M. Rohsenow: Håndbok for varmeoverføring. Mcgraw-Hill Publ. Comp., 1998, ISBN 0-07-053555-8 .
3. ↑ ^{a b} A. Faghri: Heat Pipe Science and Technology. Taylor og Francis, 1995, ISBN 1-56032-383-3 .
4. ↑ ^{a b c d e} P. Dunn: Varmeledninger. Pergamon Press, 1994.
5. ↑ RS måler: varmeoverføringsenhet. US patent 2.350.348
6. ^ L. Trefethen: På overflatespenningen Pumping av væsker eller en mulig rolle Candlewick i romforskning. GE Tech. Info., Ser. Nei. 615 D114, februar 1962.
7. ^ GM Grover, TP Cotter, GF Erikson: Structures of Very High Thermal Conductivity. I: J. Appl. Phys. 35, 1964, s. 1990.
8. ↑ Christopher E. Heuer: Anvendelsen av varmerør på Trans-Alaska-rørledningen. 6/1979.
9. ^ Trans-Alaska passivt kjølesystem .
10. ↑ M. Schneider: Modellering og optimalisering av varmerørplater for kjøling av elektroniske kretser. IKE, 2007.
11. ↑ ^{a b c d e f} Association of German Engineers VDI-Wärmeatlas Springer-Verlag, 2006.
12. ↑ Eksperimentell undersøkelse av sølv nano-væske på termisk ytelse på varmerør .
13. ↑ Eksperimentell undersøkelse av mikro / nano varmerørkonstruksjoner ( Memento 30. mai 2012 i Internet Archive ) (PDF; 1,2 MB).
14. ↑ ^{a b c} Patent: Flat varmeledning med overopphetingsbeskyttelse
15. ↑ Konstruksjon og testing av en kvikksølvvarmerørovn for firbølgeblanding inne i resonatoren  ( siden er ikke lenger tilgjengelig , søk i webarkiver )@1@ 2Mal: Toter Link / www.quantum.physik.uni-mainz.de