DE1264461B

DE1264461B - Waermerohr

Info

Publication number: DE1264461B
Application number: DEU11233A
Authority: DE
Inventors: George Maurice Grover
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1963-12-02
Filing date: 1964-12-01
Publication date: 1968-03-28
Also published as: NL6413971A; GB1027719A; SE307799B; US3229759A; BE656515A; JPS417278B1

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

F28d

Deutsche KL: 17f-ll

1264461
U11233 I a/17 f
1. Dezember 1964
28. März 1968

Die Erfindung bezieht sich auf neuerdings als Wärmerohr bezeichnete Wärmeübertrager, bestehend aus einem geschlossenen Behälter, der zum Teil mit einem flüssigen Fluid gefüllt ist, wobei der restliche Teil mit dem Dampf desselben Fluids ausgefüllt ist, und der einen von außen Wärme aufnehmenden ersten Abschnitt, in dem flüssiges Fluid verdampft, aufweist und einen nach außen Wärme- abgebenden zweiten Abschnitt, in dem dampfförmiges Fluid kondensiert, wobei die beiden Abschnitte für das Fluid zu einem geschlossenen Kreislauf vereinigt sind und für den Rücklauf des im zweiten Abschnitt kondensierten Fluids zum ersten Abschnitt Leitmittel vorgesehen sind. Ein derartiges Wärmerohr ist durch die französische Patentschrift 859 930 bekannt.

Bei diesen.Wärmeübertragern ist es, wie im wesentlichen bei allen Wärmeübertragern, wünschenswert, eine 'Höchstmenge von Wärme mit einem Minimum an Temperaturgefälle zu übertragen.

Die Verdampfung einer Flüssigkeit, der Transport des Dampfes durch eine Leitung und die darauffolgende Kondensation bilden eine bekannte Methode für das Übertragen von großen Wärmemengen bei kleinem Temperaturgefälle. Um stetig arbeiten zu können, muß das Kondensat zum Verdampfer zurückgeführt werden. Dies geschieht durch Schwerkraft oder mittels einer Pumpe. In vielen Anwendungsfällen kommt jedoch eine Pumpe nicht in Betracht und man ist daher auf die Schwerkraft als Umwälzmittel angewiesen. Die bekannten pumpenlosen Wärmeübertrager versagen demnach unter schwerkraftfreien Bedingungen und erst recht, wenn sie bis zu einem gewissen Ausmaß entgegen der Schwerkraft arbeiten sollen.

Um einen als Verdampfungskühler arbeitenden Wärmeübertrager auch in verschieden geneigten Lagen, also bei wechselnden Richtungen der Schwerkrafteinwirkung, funktionsfähig zu erhalten, ist es durch die britische Patentschrift 897 130 schon bekannt geworden, als Leitmittel für den Transport des zu verdampfenden Kühlfluids vom Vorratsraum zu den zu kühlenden Wänden, in deren Nähe das Fluid verdampfen soll, kapillare Füllungen vorzusehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmeübertrager der eingangs genannten bekannten Art, im folgenden Wärmerohr genannt, unabhängig von der Einwirkung der Schwerkraft funktionsfähig zu machen, und zwar derart, daß im Vergleich zu bekannten Ausführungen im wesentlichen die gleiche Wärmeleistung übertragen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Leitmittel aus einer als Leitmittel an Wärmerohr

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,'

Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter: .

Dipl.-Ing. P. Landschütz, Patentanwalt,

7900 Ulm, Ensingerstr. 21

Als Erfinder benannt: - - ■
George Maurice Grover, - ■
Los Alamos, N. Mex. (V. St/A.)

Beanspruchte Priorität: -,-·.-V. St. v. Amerika vom 2. Dezember 1963
(327559)"'

sich bekannten kapillaren Füllung bestehen, die sich über die ganze innere Oberfläche des Behälters mit Ausnahme eines Teiles des ; zweiten Abschnittes erstreckt und die Gesamtmenge des Fluids so bemessen ist, daß dessen flüssiger Anteil die kapillare Füllung im wesentlichen sättigt.^

Bei besonders vorteilhaften. Ausführungsformen besteht die kapillare Füllung aus Drahtgeflecht oder für besondere Zwecke aus Glasfritte.. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1. einen schematischen Aufbauplan des Arbeitsprinzips eines Wärmerohres,

F i g. 2 die Temperaturprofile, eines Wärmerohres und die stationären Temperaturen, gemessen bei verschiedenen Heizleistungen.

Das Arbeitsprinzip des Wärmerohres ist schematisch aus Fig. 1 ersichtlich. Die kapillare Füllung wird mit einer Flüssigkeit gesättigt. Im stationären Zustand ist die Flüssigkeitstemperatur im Verdampfungsbereich 1 etwas höher als im Kondensationsbereich 2. Der sich ergebende Unterschied im Dampfdruck, P₂-P₁X), treibt den Dampf von dem Verdampfungsbereich 1 in den Kondensationsbereich 2. Die Abnahme der Flüssigkeit durch Verdampfung veranlaßt die Dampf-Flüssigkeits-Grenzfläche im Verdampfungsbereich, etwas in die kapillare Füllung zurückzuweichen, wo der typische Meniskus einen Krümmungsradius von r₂ hat. Die Kapillaren sind

809 520/451

Claims

3 4

in der Zeichnung als Zwischenräume eines Draht- strömenden Natriumdampf an das unerwärmte Ende geflechts 3 dargestellt. Der Druck in der angrenzen- des Rohres getrieben. Demzufolge wird der Wärmeden Flüssigkeit ist dann fluß in dem Wasserstoffbereich durch gewöhnliche

P _(2 _cos /gVr Wärmeleitung, hauptsächlich durch die Behälterwand

² *■ ^ '2' s und die gesättigte kapillare Füllung erreicht. Das

wobei γ die Oberflächenspannung und Θ der Kontakt- Ergebnis ist ein stark abnehmendes Temperaturprofil

winkel ist. Im Kondensationsbereich 2 nimmt der längs des Wärmerohres.

typische Meniskus einen Radius/^ an, welcher einen In Fig. 2, welche eine grafische Darstellung der

relativ großen Radius, der durch die Weite des stationären Temperaturen ist, gemessen bei verschie-

Rohres bestimmt wird, nicht übertreffen kann. Der io denen Heizleistungen mit Bezug auf die Abstände

Druck im Kondensat ist dann längs des Wärmerohres, ist die Zone der schnell

ρ /o _cos 0\/_r abfallenden Temperatur auf dieses Vorhandensein

¹ *' von Wasserstoffgas zurückzuführen. Die Strecken

Das zur Verfügung stehende Druckgefälle zum konstanten Temperaturverlaufs sind von hauptsäch-

Treiben der Flüssigkeit durch die kapillare Füllung 15 lichem Interesse. Die Meßmethode (fünf Thermo-

vom Kondensationsbereich zum Verdampfungsbereich elemente mit Abständen entlang des 91,44-cm-Rohres

gegen die durch die Viskosität verursachte Reibung ist angeschweißt) war nicht genau genug, um die kleinen

2 ν (l/r —l/r) COsO-(P -P)-Oe(Ii -h) Temperaturgradienten nachzuweisen, doch über-

Zy(Ur₂ Vr₁)COSO (P₂ F₁) pg(h₂ H₁), steigen sie 0,05° K/cm nicht. Eine Berechnung zeigt

wobei ρ die Flüssigkeitsdichte, g die Schwerkraft- 20 an, daß die tatsächlichen Temperaturgradienten in

beschleunigung und h₂ und h_t die Höhen der Flüssig- einer Größenordnung von weniger als dieser oberen

keitsoberflächen über einer Bezugshöhe sind. Dieses Grenze liegen.

Druckgefälle kann dadurch positiv gemacht werden, Versuche, mehr als 30 W/cm² durch die Oberfläche

daß man die kapillare Porengröße genügend klein. des beheizten Teils des Rohres zu liefern, Hefen auf

wählt. Die obengenannte Gleichung kann nach r₂ 25 die Erscheinung örtlich überhitzter Gebiete hinaus,

aufgelöst werden, da die Größe IZr₁ so klein ist, daß die entweder auf Deformierung oder Trocknen der

sie vernachlässigt werden kann. Der Porenradius der kapillaren Füllung zurückzuführen sind,

kapillaren Füllung sollte dann kleiner als r₂ gewählt Es ist offensichtlich, daß bei Verwendung eines

werden. Es ist zu beachten, daß der Porenradius Füllfluids, welches kein Gas, das bei den interessie-

nicht viel kleiner als r_? sein soll, da bei sehr kleinen 30 renden Temperaturen nicht kondensierbar ist, als

Poren der erhöhte Reibungswiderstand die kapillare Verunreinigung enthält, die Zone ohne Rückströ-

Rückführung verringern würde. mung mit stark abnehmenden Temperaturen nicht

Um die qualitativen Verhältnisse zu untersuchen, vorhanden ist. Lithium in einer Niobium-1%-Zirwurde z.B. ein Wärmerohr mit flüssigem Natrium konium-Legierung würde als Füllfluid bei Tempefür den Betrieb bei 1100° K hergestellt. Das Be- 35 raturen von ungefähr 1100° C vorteilhaft sein. Tantal hälterrohr bestand aus rostfreiem Stahl mit 1,9 cm und Silber bilden keine Legierungen. Diese Kombiäußerem Durchmesser, 1,59 cm innerem Durchmesser nation von Materialien würde bei Temperaturen von und 30,48 cm Länge mit aufgeschweißten End- ungefähr 2000° C vorteilhaft sein. Es ist zu beachten, -kappen. Die kapillare Füllung bestand aus rostfreiem daß ein Bereich von Temperaturen für jedes Füll-Stahlgitter mit Drähten von 0,127 mm Durchmesser. 40 fluid möglich ist durch Arbeiten bei verschiedenen Dieses wurde zu einer Spirale von fünf Schichten Drücken innerhalb des Behälters. Die theoretische geformt und dicht an die innere Wandung des Rohres obere Temperaturgrenze ist die kritische Temperatur eingepaßt, wobei ein freier Durchmesser von 1,27 cm des Füllfluids, da bei dieser Temperatur die Oberverblieb. Das Rohr wurde mit 15 g festem Natrium flächenspannung auf Null geht,
beschickt, auf ungefähr 10~⁵ mm Hg evakuiert und 45 Es ist auch zu beachten, daß die Form des Geräts verschlossen. Wenn das obere Drittel des Rohres im jeweiligen Ermessen liegt. Hohle Platten, Stangen durch elektrische Induktion zum Glühen gebracht usw. sind gleicherweise für den Erfindungsgedanken wird, bewirkt die auffalllend wirksame Wärmeüber- geeignet. Weiter besteht nicht die Bedingung, daß tragung ein Leuchten des Wännerohres fast bis zum das Rohr an einem Ende erwärmt wird und die kalten Ende des Rohres. Die Leuchtzone in dem 50 Kondensation an dem anderen vor sich geht. Zum Wärmerohr endet, bevor der Boden erreicht ist, Beispiel kann das Rohr an irgendeiner Stelle seiner wegen der relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeit des Länge erwärmt werden und die Kondensation an flüssigen Natriumsumpfes. beiden Enden stattfinden, d. h. der sogenannte zweite

Ein zweites Natrium-Wärmerohr wurde in jeder Abschnitt ist hier in zwei Unterabschnitte unterteilt. Beziehung ähnlich dem ersten hergestellt, mit der 55 Das Material für die kapillare Füllung ist beliebig. Ausnahme, daß es auf 91,44 cm verlängert wurde. Zum Beispiel können auch Rohre u. dgl. verwendet Die Natriumfüllung wurde auf 40 g erhöht. Dieses werden; die einzige Bedingung ist, daß die Poren-Wärmerohr wurde in einer Vakuumkammer unter- größe genügend klein ist, um die vorstehend erläuterte gebracht und auf einer Länge von ungefähr 12,7 cm Kapillarwirkung zu erzeugen,
an einem Ende durch Bombardieren mit Elektronen 60 ..
von einer konzentrischen Drahtspirale aus erwärmt. Fatentansprucne:
Die Daten in F i g. 2 wurden erhalten, nachdem das 1. Wärmeübertrager, bestehend aus einem Rohr 2 Tage lang bei 1070° K einem Vakuumglühen geschlossenen Behälter, der zum Teil mit einem unterworfen worden war. Wenn Natrium als Kühl- flüssigen Fluid gefüllt ist, wobei der restliche Teil mittel verwendet wird, ist das Vakuumglühen von 65 mit dem Dampf desselben Fluids ausgefüllt ist, Bedeutung auf Grund der Tatsache, daß Wasserstoff und der einen von außen Wärme aufnehmenden eine Verunreinigung des Natriummetalles ist. Der ersten Abschnitt, in dem flüssiges Fluid verWasserstoff wird freigesetzt und durch den zurück- dampft, aufweist und einen nach außen Wärme

abgebenden zweiten Abschnitt, in dem dampfförmiges Fluid kondensiert, wobei die beiden Abschnitte für das Fluid zu einem geschlossenen Kreislauf vereinigt sind und für den Rücklauf des im zweiten Abschnitt kondensierten Fluids zum ersten Abschnitt Leitmittel vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitmittel aus einer als Leitmittel an sich bekannten kapillaren Füllung bestehen, die sich über die ganze innere Oberfläche des Behälters mit Ausnähme eines Teils des zweiten Abschnitts erstreckt, und die Gesamtmenge des Fluids so bemessen ist, daß dessen flüssiger Anteil die kapillare Füllung im wesentlichen sättigt.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kapillare Füllung aus Drahtgeflecht besteht.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kapillare Füllung aus Glasfritte besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 859 930;
britische Patentschrift Nr. 897130.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 520/451 3.68 © Bundesdruckerei Berlin