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Wärmerohre (heat pipes) von Wakefield-Vette

2020-11-26

Wärmerohre (heat pipes) von Wakefield-Vette

Vor kurzem wurde das Angebot von TME um die Wärmerohre (auch als Heatpipes bezeichnet) erweitert, die von Wakefield-Vette hergestellt werden, um überschüssige Wärme abzuleiten. Dahinter steht ein bekanntes Unternehmen, das zum amerikanischen Konzern Wakefield-Vette gehört. Obwohl Heatpipes scheinen, eine ziemlich neue Lösung zu sein, begann ihre Geschichte 1942, als General Motors das erste Patent für die Verwendung von Wärmerohren in Kühlsystemen anmeldete.

Was sind Wärmerohre und wie funktionieren sie?

Die sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad auszeichnenden Wärmeleitungen sind grundsätzlich 2-Phasen-Geräte, die in ihrer Funktionsweise sehr einfach sind - ohne interne Teile oder Komponenten. Sie verwenden einen Verdampfungs- und Kondensationszyklus des Arbeitsmediums, um überschüssige Wärme von einem Ende zum anderen zu transportieren. Der Schlüssel hierbei ist es, das Phänomen der Verdampfung, Konvektion und dann Kondensation des Mediums zu nutzen, mit dem das Rohr gefüllt ist. Wärmerohre sind im Vergleich zu Methoden, die auf Wärmeleitfähigkeit und einem weiten Bereich von Betriebstemperaturen basieren, äußerst effektiv - von wenigen Kelvin (Anwendungen in der Kryotechnik) bis zu über 1,5 Tausend Grad Celsius (Weltraum- und Luftfahrttechnologien). Daher ist ihr Anwendungsspektrum sehr breit und umfasst natürlich Kälte- und Heiztechnologien, die Chemieindustrie, fortgeschrittene Bautechnik, Lebensmittelindustrie, Schiffbau und, Luft- und Raumfahrttechnologien und Elektronik als die wohl bekannteste aller Anwendungen.

Heat pipe – Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip des Wärmerohrs unterscheidet sich geringfügig für jeden seiner beiden Grundtypen, nämlich Schwerkraftrohre - die sogenannten Thermosiphons - und Rohren mit Kapillarstruktur, meistens Dochtrohren. genannt. Im ersteren Fall erfolgt die Zirkulation des Arbeitsmediums – hierbei geht es um die Rückführung von Kondensat an seinen ursprünglichen Ort - aufgrund der Schwerkraft. Bei Wärmerohren mit Kapillarstruktur basiert die Zirkulation des Arbeitsmediums jedoch auf der Wirkung von Kapillarkräften. Unabhängig davon, um welchen Typ es sich handelt, ist das Betriebsmuster des Wärmerohrs mehr oder weniger gleich. In der ersten Phase erhöht das Ende des Wärmerohrs, das Wärme empfängt (Verdampferabschnitt), die Temperatur des Arbeitsmediums, bis es von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand übergeht und sich in Dampf umwandelt. Der Unterschied in Temperatur und Druck (Konvektionskraft) zwischen dem wärmeren und dem kühleren Ende des Rohrs erzeugt einen Dampfstrom zum kühlen Ende des Rohres, das als Kondensator wirkt. Hier kondensiert der Dampf und überträgt seine latente Wärmeenergie auf das Material des Rohrs, das es dann an seine Umgebung überträgt. In der letzten Phase des Zyklus kehrt der kondensierte Dampf als Flüssigkeitstropfen zum Verdampferabschnitt zurück, und zwar entweder durch Schwerkraft - einfach nach unten fließend - oder durch Kapillarwirkung aufgrund der porösen Struktur an den Innenwänden des Wärmerohrs.

 Wie Wärmerohre funktionieren

Wie Wärmerohre funktionieren:

  1. Die Betriebsflüssigkeit nimmt die Wärme auf, während sie flüchtig wird.
  2. Der Dampf bewegt sich entlang des Rohrs in einen Bereich mit niedrigerer Temperatur.
  3. Der Dampf kondensiert wieder zu einer Flüssigkeit und leitet die Wärme ab.
  4. Die Flüssigkeit wird von der Dochtstruktur absorbiert.
  5. Die Flüssigkeit kehrt zum Ende mit der hohen Temperatur in der Kapillarmikrostruktur zurück..
  6. Der natürliche oder erzwungene Luftstrom gibt überschüssige Wärme an die Umgebung ab.

Heat pipe – Wie soll man die richtige Lösung auswählen?

Dies könnte das Ende sein, aber Sie sollten auf die Probleme achten, die bisher übersehen wurden: den Druck im Rohr und die Art des Arbeitsmediums, bei dem es sich möglicherweise um Wasser oder anderes handelt. Durch geeignete Druckregelung können Sie den Temperaturwert für jedes Medium, bei dem das Medium flüchtig ist, und den sogenannten Taupunkt beeinflussen. Der Taupunkt ist der Wert der Temperaturdifferenz, bei der der Dampf, der mit der Rohrstruktur im Kondensationsabschnitt in Kontakt steht, effektiv in einen flüssigen Zustand gebracht wird. Die Auswahl des Arbeitsmediums das Helium, Wasserstoff, Stickstoff, Aceton, Kalium, flüssiges Silber und viele andere sein kann, ist ebenfalls wichtig, da der richtige Faktor in Abhängigkeit von den Bedingungen ausgewählt werden sollte, unter denen das Wärmerohr arbeitet. Zum Vergleich erbringen Wärmerohre in einem Temperaturbereich von etwa 200 bis fast 400 Kelvin eine hervorragende Leistung, während die Weltraumtechnologie Faktoren verwenden muss, die bei Temperaturen im Bereich von 1000 bis 2500 Kelvin gut funktionieren. Aus diesem Grund verwenden NASA-, ESA- und Space X-Projekte spezielle Wärmerohre, z.B. mit flüssigem Lithium oder Silber.

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Wärmerohre – ihre Typen und Konstruktion

Aus dem Gesichtspunkt der Funktionen, die beim Prozess der zirkulierenden Wärmeableitung von einem Bereich zum anderen ausgeführt werden, werden innerhalb der Wärmerohre drei Teile unterschieden, die üblicherweise als Abschnitte bezeichnet werden. Der erste und der zweite sind der zuvor beschriebene Verdampfungsabschnitt und der Kondensationsabschnitt. Zwischen ihnen gibt es noch einen mittleren, adiabatischen. Dort findet die freie, parallele und gegenseitig ungestörte Bewegung der Dampf- und Flüssigphase statt. Der Dampf bewegt sich über das gesamte Volumen des Rohrs vom Verdampfungsabschnitt zum Kondensationsabschnitt, und die kondensierte Flüssigkeit fließt über glatte Wände (Thermosiphons) oder bewegt sich innerhalb der an der Innenwand gebildeten porösen Kapillarmikrostruktur.

Während die Struktur von Schwerkraftrohren (Thermosiphons) eine einfache Angelegenheit ist, haben wir es bei Wärmeröhren mit Kapillarstruktur mit einem viel komplexeren Sachverhalt zu tun. Hersteller verwenden unterschiedliche Materialien, um den Kern und die Kapillarstruktur herzustellen, von denen letztere u.a. aus Keramikmaterialien, Glasfasern, gesintertem Metallpulver oder Mikrodrahtgeflecht hergestellt werden können. Im Wesentlichen besteht die Idee darin, eine solche Dochtstruktur zu erreichen, die die Rückführung der Flüssigkeit zum Verdampfer erleichtert. Das ist jedoch nicht einfach. Die Schaffung einer geeigneten Mikrostruktur ist der komplizierteste Schritt im Herstellungsprozess des Wärmerohrs, insbesondere wenn es sich um einen Verbunddocht handelt, d.h. einen aus mindestens zwei verschiedenen Materialien bestehenden. Homogene Dochte – aus einem Material gefertigt – sind normalerweise Dochte in Form von axial gerillten Längsnuten. Sie werden gleichzeitig mit dem Heatpipe selbst hergestellt, während Verbunddochte in mindestens zwei oder drei Stufen entstehen. Unabhängig davon, ob es sich um einen gerillten Docht, einen Maschendocht, einen gemischten Docht (Rillen und Maschen), einen Sinter- oder einen gerollten Docht handelt, hat seine Struktur einen entscheidenden Einfluss auf die Kapillarbewegung der Flüssigkeit, die durch Überwindung des inneren Strömungswiderstands durch Kapillardruck erfolgt. Diese beiden Kräfte, die versuchen, sich gegenseitig aufzuheben, wirken unterschiedlich auf verschiedene Arten von Betriebsflüssigkeit. Daher mussten Hersteller wie Wakefield-Vette viele detaillierte Tests und Versuche für jedes Medium separat durchführen, dank derer sie solche Strukturen entwickelten, bei denen die Zunahme der Kapillarkräfte - mit einer allmählichen Verringerung der Größe der Poren oder des Siebkerns - größer ist als die Zunahme der Reibungskräfte. Bei den Produkten von Wakefield-Vette handelt es sich in der Mehrheit der angebotenen Wärmerohre um mit Kupferpulver gesinterte Dochtverbundrohre, die während des Sinterprozesses eine poröse, schwammartige Struktur bilden. Aufgrund der geeigneten Größe der Mikroporen bewegen diese Rohre das Arbeitsfluid nach der Kondensation effektiv sowohl in vertikaler, schräger als auch horizontaler Position, wodurch eine hohe Bewertung ihrer Leistung auf dem Markt erzielt wird.

Ein separates Thema ist das Material und die Konstruktion des Wärmerohrkörpers selbst, der - je nach Verwendungszweck des Rohrs - aus verschiedenen Arten von Metallen, Keramik oder Glas besteht. Das Material des Rohrkörpers muss Innendrücken standhalten, die während des normalen Betriebs des Wärmerohrs auftreten, darf nicht mit dem Arbeitsmedium reagieren (Korrosionsgefahr) und einen hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten aufweisen, damit das gesamte System seine Rolle effektiv erfüllen kann. Zu den Arbeitsflüssigkeiten sollte jedoch erwähnt werden, dass sie nicht nur keine chemischen Reaktionen mit dem Material des Rohrkörpers und des Dochtes selbst eingehen sollten, sondern auch durch thermische Stabilität, niedrige Viskosität der Flüssigkeit und des Dampfes bei einem hohen Grad an Oberflächenspannung und natürlich einen hohen Wert des thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten gekennzeichnet sein müssen.

Heat pipe – wie verbindet man sie miteinander?

Ein weiterer Aspekt beim Verbinden von Wärmerohren ist deren Abflachung. Es ist häufig erforderlich, das System auf die gewünschte Form einzustellen, es in einen Schlitz einzubauen, in dem es montiert werden soll, oder einfach die Kontaktfläche des Rohrs zu vergrößern, um einen besseren Wärmeempfang zu erzielen. Der Preis für die Montage des Rohrs an der Stelle, an der es betrieben werden soll - durch Abflachen - ist die verringerte Wärmekapazität und die verringerte Querschnittsfläche. In solchen Situationen ist der Wirkungsgrad des Rohrs im abgeflachten Zustand ähnlich dem eines vollständig runden Rohrs, jedoch mit einem wesentlich kleineren Durchmesser. Was noch schlimmer ist, je größer der Durchmesser des anfänglichen Wärmerohrs ist, desto stärker ist die Verringerung seiner Wärmekapazität beim Abflachen zu spüren. Beim Biegen von Wärmerohren ist auch deren Wirkungsgrad geringfügig eingeschränkt, der sich weiter verschlechtert, wenn der Biegeradius unter das 4- oder 3-fache des Rohrdurchmessers selbst fällt. In extremen Situationen kann der Dampf- und Wärmestrom unterbrochen werden, wodurch die Funktion des Wärmerohrs effektiv verhindert wird.

Beim Verbinden von Wärmerohren mit Platten und Wärmetauschern geht es hauptsächlich darum, die Kontaktfläche zu maximieren und dabei die oben genannten Richtlinien zum Abflachen und Biegen einzuhalten. In den meisten Fällen sind die Wärmerohre in Kanäle eingebettet, die auf der Platte vorbereitet sind, um ihre Kontaktfläche zu maximieren. Das passende Wärmerohr kann in einem solchen Kanal durch Löten oder unter Verwendung von thermischem Epoxidharz befestigt werden. Das Wärmerohr kann auch zwischen zwei Platten mit miteinander verbundenen Gegenrillen eingespannt werden. Bei dieser Art der Klemmkonfiguration kann eine wärmeleitende Paste verwendet werden, um den Kontakt des Wärmerohrs mit den Platten zu vergrößern und somit den Wärmewiderstand an der Grenzfläche zu verringern.

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