Wärmerohr
Ein typisches Wärmerohr besteht aus einem abgedichteten Rohr oder einer Röhre aus einem Material, das mit der Arbeitsflüssigkeit verträglich ist, z. B. Kupfer für Wasserwärmerohre, oder Aluminium für Ammoniak-Wärmerohre. Normalerweise wird eine Vakuumpumpe verwendet, um die Luft aus dem leeren Wärmerohr zu entfernen. Das Wärmerohr wird teilweise mit einem Arbeitsmedium gefüllt und dann versiegelt. Die Masse des Arbeitsmediums wird so gewählt, dass das Wärmerohr über den Betriebstemperaturbereich sowohl Dampf als auch Flüssigkeit enthält.
Unterhalb der Betriebstemperatur ist die Flüssigkeit zu kalt und kann nicht zu einem Gas verdampfen. Oberhalb der Betriebstemperatur ist die gesamte Flüssigkeit zu Gas geworden, und die Umgebungstemperatur ist zu hoch, als dass das Gas kondensieren könnte. Die Wärmeleitung durch die Wände des Wärmerohrs ist immer noch möglich, allerdings mit einer stark reduzierten Wärmeübertragungsrate. Außerdem muss bei einer gegebenen Wärmezufuhr eine Mindesttemperatur des Arbeitsmediums erreicht werden, und eine zusätzliche Erhöhung (Abweichung) des Wärmeübergangskoeffizienten von der ursprünglichen Auslegung hemmt eher die Wirkung des Wärmerohrs. Dieses Phänomen ist insofern kontraintuitiv, als dass, wenn ein Wärmerohrsystem durch einen Ventilator unterstützt wird, das Wärmerohr zusammenbrechen und die Wirksamkeit des Wärmemanagementsystems verringern kann. Die Betriebstemperatur und die maximale Wärmetransportkapazität der Wärmerohre (begrenzt durch ihre Kapillarstruktur) stehen daher in engem Zusammenhang.
Die Auswahl der Arbeitsflüssigkeiten richtet sich nach den Temperaturen, bei denen die Wärmerohre arbeiten müssen, wobei die Beispiele von flüssigem Helium für Anwendungen bei extrem niedrigen Temperaturen (2-4 K) bis zu Quecksilber (523-923 K), Natrium (873-1473 K) und sogar Indium (2000-3000 K) für extrem hohe Temperaturen reichen. Die überwiegende Mehrheit der Wärmerohre für Raumtemperaturanwendungen verwendet Ammoniak (213-373 K), Alkohol (Methanol (283-403 K) oder Ethanol (273-403 K)) oder Wasser (298-573 K) als Arbeitsmedium. Kupfer/Wasser-Wärmerohre haben einen Kupfermantel, verwenden Wasser als Arbeitsmedium und arbeiten normalerweise im Temperaturbereich von 20 bis 150 °C. Wasserwärmerohre werden manchmal teilweise mit Wasser gefüllt, erhitzt, bis das Wasser kocht und die Luft verdrängt, und dann in heißem Zustand versiegelt.
Damit das Wärmerohr Wärme übertragen kann, muss es gesättigte Flüssigkeit und deren Dampf (Gasphase) enthalten. Die gesättigte Flüssigkeit verdampft und wandert zum Kondensator, wo sie abgekühlt und wieder in eine gesättigte Flüssigkeit umgewandelt wird. In einem Standard-Wärmerohr wird die kondensierte Flüssigkeit mit Hilfe einer Dochtstruktur, die eine Kapillarwirkung auf die flüssige Phase der Arbeitsflüssigkeit ausübt, zum Verdampfer zurückgeführt. Zu den in Wärmerohren verwendeten Dochtstrukturen gehören gesintertes Metallpulver, Siebe und gerillte Dochte, die eine Reihe von Rillen parallel zur Rohrachse aufweisen. Befindet sich der Kondensator oberhalb des Verdampfers in einem Schwerkraftfeld, kann die Schwerkraft die Flüssigkeit zurückführen. In diesem Fall ist das Wärmerohr ein Thermosiphon. Rotierende Wärmerohre schließlich nutzen die Zentrifugalkräfte, um die Flüssigkeit vom Kondensator zum Verdampfer zurückzuführen.
Wärmerohre enthalten keine mechanisch beweglichen Teile und erfordern in der Regel keine Wartung, obwohl nicht kondensierbare Gase, die durch die Rohrwände diffundieren und aus der Zersetzung der Arbeitsflüssigkeit oder aus Verunreinigungen im Material resultieren, die Wirksamkeit des Rohrs bei der Wärmeübertragung verringern können.
Der Vorteil von Wärmerohren gegenüber vielen anderen Wärmeabfuhrmechanismen ist ihre große Effizienz bei der Wärmeübertragung. Ein Rohr mit einem Durchmesser von einem Zoll und einer Länge von einem Meter kann 3,7 kW (12.500 BTU pro Stunde) bei 980 °C (1.800 °F) mit einem Gefälle von nur 10 °C (18 °F) von Ende zu Ende übertragen. Einige Wärmerohre haben einen Wärmestrom von mehr als 23 kW/cm² erreicht, was etwa dem Vierfachen des Wärmestroms durch die Sonnenoberfläche entspricht.
Materialien für Wärmerohre und ArbeitsflüssigkeitenEdit
Wärmerohre bestehen aus einer Hülle, einem Docht und einer Arbeitsflüssigkeit. Wärmerohre sind für einen sehr langen, wartungsfreien Betrieb ausgelegt, daher müssen die Wärmerohrwand und der Docht mit dem Arbeitsmedium kompatibel sein. Manche scheinbar kompatiblen Material-/Arbeitsflüssigkeitspaare sind es nicht. Beispielsweise entwickelt Wasser in einer Aluminiumhülle innerhalb weniger Stunden oder Tage große Mengen nicht kondensierbarer Gase, die einen normalen Betrieb des Wärmerohrs verhindern.
Seit der Wiederentdeckung von Wärmerohren durch George Grover im Jahr 1963 wurden umfangreiche Lebensdauertests durchgeführt, um die Kompatibilität von Hüllen/Flüssigkeitspaaren zu ermitteln, die teilweise über Jahrzehnte andauerten. Bei einem Lebensdauertest von Wärmerohren werden diese über lange Zeiträume betrieben und auf Probleme wie die Bildung nicht kondensierbarer Gase, Materialtransport und Korrosion überwacht.
Zu den am häufigsten verwendeten Hüllen- (und Docht-)/Flüssigkeitspaaren gehören:
- Kupferhülle mit Wasser als Arbeitsflüssigkeit für die Elektronikkühlung. Dies ist bei weitem die häufigste Art von Wärmerohren.
- Kupfer- oder Stahlhülle mit Kältemittel R134a als Arbeitsmedium für die Energierückgewinnung in HVAC-Systemen.
- Aluminiumhülle mit Ammoniak als Arbeitsmedium für die Wärmekontrolle von Raumfahrzeugen.
- Superlegierungshülle mit Alkalimetall (Cäsium, Kalium, Natrium) als Arbeitsmedium für Hochtemperatur-Wärmerohre, die meist zur Kalibrierung von primären Temperaturmessgeräten verwendet werden.
Zu den anderen Paaren gehören Umhüllungen aus rostfreiem Stahl mit Stickstoff-, Sauerstoff-, Neon-, Wasserstoff- oder Helium-Arbeitsflüssigkeiten bei Temperaturen unter 100 K, Kupfer/Methanol-Wärmerohre für die Elektronikkühlung, wenn das Wärmerohr unterhalb des Wasserbereichs arbeiten muss, Aluminium/Ethan-Wärmerohre für die Wärmeregulierung von Raumfahrzeugen in Umgebungen, in denen Ammoniak einfrieren kann, und Umhüllungen aus hochschmelzendem Metall/Lithium-Arbeitsflüssigkeit für Hochtemperaturanwendungen (über 1.050 °C (1.920 °F)).
Arten von WärmerohrenBearbeiten
Neben den Standard-Wärmerohren mit konstantem Leitwert (CCHP) gibt es eine Reihe weiterer Arten von Wärmerohren, darunter:
- Dampfkammern (planare Wärmerohre), die für die Wärmestromtransformation und die Isothermalisierung von Oberflächen verwendet werden
- Wärmerohre mit variabler Leitfähigkeit (VCHPs), die ein nicht kondensierbares Gas (NCG) verwenden, um die effektive Wärmeleitfähigkeit des Wärmerohrs zu ändern, wenn sich die Leistung oder die Bedingungen der Wärmesenke ändern
- Druckgesteuerte Wärmerohre (PCHP), bei denen das Volumen des Reservoirs oder die NCG-Masse geändert werden kann, um eine präzisere Temperaturregelung zu ermöglichen
- Diodenwärmerohre, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit in der Vorwärtsrichtung und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit in der Rückwärtsrichtung haben
- Thermosyphons, das sind Wärmerohre, bei denen die Flüssigkeit durch Schwerkraft/Beschleunigungskräfte zum Verdampfer zurückgeführt wird,
- Rotierende Wärmerohre, bei denen die Flüssigkeit durch Zentrifugalkräfte zum Verdampfer zurückgeführt wird
Dampfkammer- oder flache WärmerohreEdit
Dünne flache Wärmerohre (Wärmespreizer) haben die gleichen Hauptbestandteile wie röhrenförmige Wärmerohre: einen hermetisch verschlossenen Hohlkörper, ein Arbeitsmedium und ein geschlossenes Kapillar-Umlaufsystem. Zusätzlich wird in der Regel eine interne Stützstruktur oder eine Reihe von Pfosten in einer Dampfkammer verwendet, um Spanndrücke von manchmal bis zu 90 PSI aufzunehmen. Dadurch wird verhindert, dass die flache Ober- und Unterseite zusammenbricht, wenn der Druck aufgebracht wird.
Es gibt zwei Hauptanwendungen für Dampfkammern. Erstens werden sie eingesetzt, wenn hohe Leistungen und Wärmeströme auf einen relativ kleinen Verdampfer angewendet werden. Durch die dem Verdampfer zugeführte Wärme wird Flüssigkeit verdampft, die in zwei Dimensionen zu den Kondensatorflächen fließt. Nachdem der Dampf an den Kondensatoroberflächen kondensiert ist, wird das Kondensat durch Kapillarkräfte im Docht zum Verdampfer zurückgeführt. Beachten Sie, dass die meisten Dampfkammern unempfindlich gegenüber der Schwerkraft sind und auch dann noch funktionieren, wenn sie auf dem Kopf stehen, d. h. wenn sich der Verdampfer über dem Kondensator befindet. In dieser Anwendung fungiert die Dampfkammer als Wärmestromtransformator, der einen hohen Wärmestrom von einem elektronischen Chip oder einer Laserdiode abkühlt und in einen niedrigeren Wärmestrom umwandelt, der durch natürliche oder erzwungene Konvektion abgeführt werden kann. Mit speziellen Verdampferdochten können Dampfkammern 2000 W auf 4 cm2 bzw. 700 W auf 1 cm2 abführen.
Eine weitere wichtige Verwendung von Dampfkammern ist die Kühlung von Gaming-Laptops. Da Dampfkammern eine flachere und zweidimensionalere Methode der Wärmeableitung sind, profitieren schlankere Gaming-Laptops im Vergleich zu herkömmlichen Heatpipes enorm davon. So war beispielsweise die Dampfkammerkühlung im Legion 7i von Lenovo sein größtes Alleinstellungsmerkmal (obwohl fälschlicherweise behauptet wurde, dass alle Modelle über Dampfkammern verfügten, während dies in Wirklichkeit nur bei einigen wenigen der Fall war).
Zweitens ermöglicht die Breite einer zweidimensionalen Heatpipe im Vergleich zu einer eindimensionalen röhrenförmigen Heatpipe einen ausreichenden Querschnitt für den Wärmefluss selbst bei einem sehr dünnen Gerät. Diese dünnen planaren Wärmerohre finden ihren Weg in „höhenempfindliche“ Anwendungen, wie z. B. Notebooks und oberflächenmontierte Leiterplattenkerne. Es ist möglich, flache Wärmerohre mit einer Dicke von bis zu 1,0 mm herzustellen (etwas dicker als eine 0,76 mm dicke Kreditkarte).
Wärmerohre mit variablem Leitwert (VCHPs)
Standardwärmerohre sind Geräte mit konstantem Leitwert, bei denen die Betriebstemperatur des Wärmerohrs durch die Temperaturen von Quelle und Senke, die Wärmewiderstände von der Quelle zum Wärmerohr und die Wärmewiderstände vom Wärmerohr zur Senke bestimmt wird. Bei diesen Wärmerohren sinkt die Temperatur linear, wenn die Leistungs- oder Kondensatortemperatur reduziert wird. Bei einigen Anwendungen, z. B. bei der Wärmekontrolle von Satelliten oder Forschungsballons, wird die Elektronik bei niedriger Leistung oder bei niedrigen Temperaturen der Senke unterkühlt. Wärmeleitrohre mit variabler Leitfähigkeit (Variable Conductance Heat Pipes, VCHPs) werden verwendet, um die Temperatur der zu kühlenden Elektronik passiv aufrechtzuerhalten, wenn sich die Leistungs- und Senkenbedingungen ändern.
Wärmeleitrohre mit variabler Leitfähigkeit haben im Vergleich zu einem Standard-Wärmeleitrohr zwei zusätzliche Elemente: 1. ein Reservoir und 2. ein nicht kondensierbares Gas (NCG), das der Heatpipe zusätzlich zur Arbeitsflüssigkeit hinzugefügt wird; siehe das Bild im Abschnitt über Raumfahrzeuge unten. Dieses nicht kondensierbare Gas ist in der Regel Argon für Standard-Wärmerohre mit variablem Leitwert und Helium für Thermosyphone. Wenn das Wärmerohr nicht in Betrieb ist, werden das nicht kondensierbare Gas und der Dampf der Arbeitsflüssigkeit im gesamten Dampfraum des Wärmerohrs vermischt. Wenn das Wärmerohr mit variabler Leitfähigkeit in Betrieb ist, wird das nicht kondensierbare Gas durch die Strömung des Arbeitsmitteldampfes zum Kondensatorende des Wärmerohrs gespült. Der größte Teil des nicht kondensierbaren Gases befindet sich im Reservoir, während der Rest einen Teil des Kondensators der Wärmeleitung blockiert. Das Wärmerohr mit variablem Leitwert funktioniert durch Veränderung der aktiven Länge des Kondensators. Wenn die Leistungs- oder Kühlkörpertemperatur erhöht wird, steigen die Dampftemperatur und der Druck im Wärmerohr an. Der erhöhte Dampfdruck drückt mehr nicht kondensierbares Gas in den Speicher, wodurch sich die aktive Länge des Kondensators und der Leitwert des Wärmerohrs erhöhen. Umgekehrt sinken bei einer Verringerung der Strom- oder Kühlkörpertemperatur die Dampftemperatur und der Druck im Wärmerohr, und das nicht kondensierbare Gas dehnt sich aus, wodurch sich die Länge des aktiven Kondensators und der Leitwert des Wärmerohrs verringern. Die Hinzufügung eines kleinen Heizgeräts am Behälter, dessen Leistung durch die Verdampfertemperatur gesteuert wird, ermöglicht eine thermische Steuerung von etwa ±1-2 °C. In einem Beispiel wurde die Verdampfertemperatur in einem Regelbereich von ±1,65 °C gehalten, während die Leistung von 72 bis 150 W und die Temperatur der Wärmesenke von +15 °C bis -65 °C variiert wurde.
Druckgeregelte Wärmerohre (PCHPs) können verwendet werden, wenn eine engere Temperaturregelung erforderlich ist. Bei einer druckgesteuerten Wärmerohrleitung wird die Verdampfertemperatur verwendet, um entweder das Speichervolumen oder die Menge des nicht kondensierbaren Gases in der Wärmerohrleitung zu verändern. Druckgesteuerte Wärmerohre haben eine Temperatursteuerung im Milli-Kelvin-Bereich gezeigt.
Dioden-WärmerohreBearbeiten
Konventionelle Wärmerohre übertragen Wärme in beide Richtungen, vom heißeren zum kälteren Ende des Wärmerohrs. Verschiedene Wärmerohre wirken wie eine thermische Diode, die Wärme in eine Richtung überträgt, während sie in der anderen Richtung als Isolator wirkt:
- Thermosyphons, die Wärme nur von unten nach oben übertragen, wo das Kondensat durch die Schwerkraft zurückfließt. Wenn der Thermosyphon oben beheizt wird, steht keine Flüssigkeit zum Verdampfen zur Verfügung.
- Rotierende Wärmerohre, bei denen das Wärmerohr so geformt ist, dass die Flüssigkeit nur durch die Zentrifugalkräfte vom nominalen Verdampfer zum nominalen Verflüssiger wandern kann. Auch hier steht keine Flüssigkeit zur Verfügung, wenn der Nennkondensator beheizt wird.
- Dampfabscheiderdioden-Wärmerohre.
- Flüssigkeitsabscheiderdioden-Wärmerohre.
Eine Dampfabscheiderdiode wird in ähnlicher Weise wie ein Wärmerohr mit variablem Leitwert hergestellt, mit einem Gasreservoir am Ende des Kondensators. Bei der Herstellung wird das Wärmerohr mit dem Arbeitsmedium und einer kontrollierten Menge eines nicht kondensierbaren Gases (NCG) gefüllt. Im Normalbetrieb wird das nicht kondensierbare Gas durch den Dampfstrom des Arbeitsmittels vom Verdampfer zum Kondensator in den Speicher gespült, wo es den normalen Betrieb des Wärmerohrs nicht beeinträchtigt. Wenn der Nennkondensator beheizt wird, fließt der Dampf vom Nennkondensator zum Nennverdampfer. Das nicht kondensierbare Gas wird mit dem strömenden Dampf mitgerissen, wodurch der Nennverdampfer vollständig blockiert und der Wärmewiderstand des Wärmerohrs stark erhöht wird. Im Allgemeinen findet ein gewisser Wärmeübergang in den adiabatischen Abschnitt statt. Die Wärme wird dann durch die Wärmerohrwände zum Verdampfer geleitet. In einem Beispiel hat eine Dampffallendiode 95 W in Vorwärtsrichtung, aber nur 4,3 W in Rückwärtsrichtung übertragen.
Eine Flüssigkeitsabscheider-Diode hat ein mit Docht gefülltes Reservoir am Verdampferende des Wärmerohrs mit einem separaten Docht, der nicht mit dem Docht im übrigen Wärmerohr in Verbindung steht. Im Normalbetrieb werden der Verdampfer und das Reservoir erhitzt. Der Dampf fließt zum Kondensator, und die Flüssigkeit kehrt durch Kapillarkräfte im Docht zum Verdampfer zurück. Das Reservoir trocknet schließlich aus, da es keine Möglichkeit zur Rückführung von Flüssigkeit gibt. Wenn der Nennkondensator erhitzt wird, kondensiert die Flüssigkeit im Verdampfer und im Reservoir. Während die Flüssigkeit vom nominalen Verdampfer zum nominalen Verflüssiger zurückfließen kann, ist die Flüssigkeit im Reservoir eingeschlossen, da der Docht des Reservoirs nicht angeschlossen ist. Schließlich ist die gesamte Flüssigkeit im Reservoir eingeschlossen, und das Wärmerohr stellt den Betrieb ein.
ThermosyphonsEdit
Die meisten Wärmerohre verwenden einen Docht, um die Flüssigkeit vom Verflüssiger zum Verdampfer zurückzuleiten, so dass das Wärmerohr in jeder Ausrichtung betrieben werden kann. Die Flüssigkeit wird durch Kapillarwirkung zurück zum Verdampfer gesaugt, ähnlich wie ein Schwamm Wasser aufsaugt, wenn eine Kante mit einer Wasserlache in Berührung kommt. Die maximale ungünstige Höhe (Verdampfer über Kondensator) ist jedoch relativ gering, in der Größenordnung von 25 cm für ein typisches Wasser-Wärmerohr.
Befindet sich der Verdampfer jedoch unterhalb des Kondensators, kann die Flüssigkeit durch die Schwerkraft abfließen, anstatt einen Docht zu benötigen, und der Abstand zwischen den beiden kann viel größer sein. Ein solches schwerkraftunterstütztes Wärmerohr ist als Thermosyphon bekannt.
In einem Thermosyphon wird eine flüssige Arbeitsflüssigkeit durch Wärmezufuhr zum Verdampfer am Boden des Wärmerohrs verdampft. Der Dampf wandert zum Kondensator am oberen Ende des Wärmerohrs, wo er kondensiert. Die Flüssigkeit fließt dann durch die Schwerkraft zum Boden des Wärmerohrs zurück, und der Zyklus wiederholt sich. Thermosyphons sind Dioden-Wärmerohre; wenn dem Kondensator Wärme zugeführt wird, steht kein Kondensat zur Verfügung und somit auch keine Möglichkeit, Dampf zu bilden und Wärme an den Verdampfer zu übertragen.
Während ein typisches terrestrisches Wasser-Wärmerohr weniger als 30 cm lang ist, sind Thermosyphons oft mehrere Meter lang. Wie weiter unten erläutert, waren die Thermosyphone, die zur Kühlung der Alaska-Pipeline verwendet wurden, etwa 11 bis 12 m lang. Es wurden sogar noch längere Thermosyphone für die Gewinnung geothermischer Energie vorgeschlagen. So haben Storch et al. ein Propan-Thermosyphon mit einem Innendurchmesser von 53 mm und einer Länge von 92 m hergestellt, das etwa 6 kW Wärme transportieren konnte.
Loop Heat PipeEdit
Ein Loop Heat Pipe (LHP) ist ein passives Zweiphasen-Übertragungsgerät, das mit dem Wärmerohr verwandt ist. Sie kann eine höhere Leistung über größere Entfernungen übertragen, da Flüssigkeit und Dampf im Gleichstrom fließen, im Gegensatz zur Gegenstromströmung in einer Heatpipe. Dadurch wird der Docht in einem Kreislaufwärmerohr nur im Verdampfer und in der Ausgleichskammer benötigt. Mikroschleifen-Wärmerohre wurden entwickelt und in einem breiten Anwendungsbereich sowohl am Boden als auch im Weltraum erfolgreich eingesetzt.
Oszillierende oder pulsierende Wärmerohre
Ein oszillierendes Wärmerohr, auch als pulsierendes Wärmerohr bezeichnet, ist nur teilweise mit flüssigem Arbeitsmedium gefüllt. Das Rohr ist serpentinenförmig angeordnet, wobei sich frei bewegliche Flüssigkeits- und Dampfsegmente abwechseln. Die Arbeitsflüssigkeit schwingt, das Rohr bleibt unbeweglich.
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