Heat-Pipe-Technik
Heatpipes (Wärmerohre - Thermosiphon) können in verschiedenen Bereichen (Solarkollektor [VRK], Wärmerückgewinnung, PC-Kühlung) eingesetzt werden. Meistens wird diese Technik zu Unrecht nur der Solartechnik zugeordnet. Ein Wärmetauscher besteht aus mehreren dünnwandigen, gut wärmeleitenden Rohren (Kupfer, Aluminium, Edelstahl, Keramik, Glas [6 bis 22 mm Durchmesser]), die luftdicht verschlossen sind.
In der Heatpipe sollte ein Wärmeträger (Flüssigkeit) verwendet werden, der je nach dem Einsatzgebiet bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft, da der Druck in der Heatpipe sehr klein ist (0,005 bis 0,008 bar). Die Temperatur bzw. der Druck steigt entsprechend der Dampfdruckkurve des Wärmeträgers an.
Aufbau einer Heat-Pipe
Wenn durch eine Wärmeababgabe im Kondensationsbereich eine niedrigere Temperatur entsteht, kommt es zu einer Taupunktunterschreitung mit sofortiger Kondensatbildung. Dadurch fällt der Druck entsprechend der Temperatur in diesem Bereich ab und der Dampf strömt aufgrund des Druckgefälles in den Kondensationsbereich. Das Kondensat fließt durch die Schwerkraft und Kapillarkräfte der Heat-Pipe zurück in den Verdampfungsbereich.

Da die Druckunterschiede in den geschlossenen Rohren sehr gering sind (wenige Pascal), sind auch die Temperaturunterschiede sehr gering (wenige Kelvin), somit sind die sich einstellenden Temperaturdifferenzen zwischen Verdampfer- und Kondensattionsbereich gering.

In den Rohren findet ein indirekt Wärmetransport über den stoffgebundenen Transport von latenter Wärme (Verdampfungs-/Kondensationswärme) statt. Dadurch beschränkt sich der Einsatzbereich einer Heat-Pipe auf den Bereich zwischen der Schmelztemperatur und der Temperatur des kritischen Punktes des Wärmeträgers (Flüssigkeit).

Quelle: M. Groll
Wärmeträger für Heat-Pipes, Betriebstemperaturen und Rohrmaterial
Temperaturbereich
Wärmeträger
Rohrmaterial
-70 bis 60 °C
Ammoniak
Aluminium, Edelstahl
-45 bis 120 °C
Methanol
Kupfer, Edelstahl
5 bis 300 °C
Wasser
Kupfer
190 bis 550 °C
Quecksilber
Edelstahl
400 bis 800 °C
Kalium
Edelstahl
500 bis 900 °C
Natrium
Edelstahl
Kapillarstrukturen

 

Der Aufbau einer Heatpipe ist von der Einbaulage abhängig. Heat-Pipes, die senkrecht oder schräg eingesetzt werden sollen, haben Längsrillen (Grooves) inform von Kapillarstrukturen.   Bei waagerecht montierten Heatpipes muss die Kapillarwirkung durch feinmaschige Kupfergeflechte oder gesinterte Kupferkügelchen.(Mesh) unterstützt werden, damit die sichere Rückführung der kondensierten Flüssigkeit gewährleistet ist.
Bei der richtigen Auswahl der Kapillarstruktur, wobei auch eine Kombination der verschiedenen Strukturen möglich ist, kann das Kondensat auch gegen die Schwerkraft von unten nach oben fließen.
Aufgrund dieser Tatsache kann die Wärmemenge ohne Hilfsenergie übertragen werden. Nur die Ausdehnung des Dampfes und die Kapillarkräfte der flüssigen Phase des Wärmeträgers gewährleisten einen Kreislauf.

Bei der Heat-Pipe muss immer beachtet werden, dass es sich um ein geschlossenes System handelt. Die Erwärmung ist eine isochore Zustandsänderung (konstantes Volumen), die zu einer unmittelbaren Druckänderung führt.  Bei dem Überschreiten des kritischen Druckes der jeweiligen Flüssigkeit kann die Heat-Pipe explodieren.

Die physikalischen Grenzen der Übertragungsleistung sind:
  • Viskositätsgrenze Sie begrenzt die Wärmestromdichte bei Arbeitstemperaturen knapp über dem Schmelzpunkt. Durch die Viskositätskräfte im Dampf wird die Strömung stark beeinträchtigt.
  • Kapillarkraftgrenze Die Kapillarkraftgrenze wird erreicht, wenn die Strömungsverluste des flüssigen Wärmeträgers größer sind als der vorhandene Kapillardruck.
  • Wechselwirkungsgrenze Bei hohen Wärmestromdichten wird Flüssigkeit durch den Dampf mitgerissen, und eine partielle Austrocknung der Kapillare führt zu einem Abriss der Flüssigkeitsströmung.
  • Schallgeschwindigkeitsgrenze Die Wärmestromdichte kann nur so weit gesteigert werden, bis der durch den Druckunterschied entstehende Dampfstrom die Schallgeschwindigkeit erreicht.
  • Siedegrenze Durch Blasensieden in der Kapillare wird der Flüssigkeitsstrom eingeschränkt bzw. er kommt dadurch zum Erliegen.

10 wichtige Regeln für die Verwendung von Heat-Pipes
1. Eine Heatpipe beinhaltet ein System, das partiell als Verdampfer der Heatpipe- Flüssigkeit wirkt (warmer Ort) und partiell, an anderer Stelle der Geometrie, als Flüssigkeitskondensator (kühlerer Ort). Das eigentliche Transportmedium ist der Flüssigkeitsdampf.
2. Innerhalb der Heatpipe herrscht überall (nahezu) die gleiche Temperatur, auch wenn die (heiße) Übergangsfläche auf Seiten des zu kühlenden Objektes (warmer Ort) gegenüber der (kalten) Übergangsfläche auf Seiten des Kühlsystems/Wärmetauschers (kühlerer Ort) sehr große Temperaturunterschiede aufweist.
3. Heatpipes sind Bauteile, mit denen sich Wärme sehr effizient und schnell von einem warmen Ort zu einem anderen kühleren Ort transportieren läßt. Sie werden deshalb auch mitunter als thermische Supraleiter bezeichnet. Der Wärmetransport kann bezogen auf Wärmemenge und Geschwindigkeit bis zum 100-1.000fachen betragen verglichen mit einem geometrisch gleichen Bauteil aus massivem Kupfer.
4. Mit Heatpipes können auch absolut gleichmäßig temperierte Arbeitsräume und -flächen geschaffen werden.
5. Entscheidend für die Nutzung der vollen Leistung von Heatpipes sind die Wärmeübergänge, einerseits vom zu kühlenden Objekt (warmer Ort) zum einen Ende der Heatpipe, und andererseits vom anderen Ende der Heatpipe zum folgenden Kühlsystem / Wärmetauscher (kühlerer Ort).
6. Der Wärmeübergang an diesen Anschlußstellen muß möglichst gut sein. Mit anderen Worten, der Wärmeübergangswiderstand muß besonders klein sein. Es empfiehlt sich deshalb, für den Start von Neuentwicklungen Heatpipe-Systeme mit integrierten Anschlußflächen zu beschaffen. Der schlechteste Wärmeübergang des Gesamtsystems vom zu kühlenden Objekt bis zum Kühlsystem/Wärmetauscher begrenzt dessen Leistungsfähigkeit. Z. B. kann eine mangelhaft ausgeführte thermische Verbindung (mit einem zu hohen Wärmewiderstand) zwischen warmem Ort über die Heatpipe zum Wärmetauscher (kühlerer Ort) nicht durch eine noch so effiziente Heatpipe ausgeglichen werden.
7. Heatpipes müssen in dem Temperaturbereich und Leistungsbereich betrieben werden, der ihrer Auslegung entspricht. Ansonsten bricht der Wärmetransportvorgang zusammen oder er kann sich erst gar nicht ausbilden. Je nach Ausgangsbedingung (Temperaturniveau, Temperaturdifferenz, Wärmemenge, Zeitfaktor, Geometrie usw.) muß die Heatpipe unterschiedliche Materialien, Innenbeschichtungen, Durchmesser, Längen, Innenmedien, Vakuumierungen usw. haben. Deshalb ist eine Standardisierung äußerst schwierig.
• Flüssigkeit
Heatpipes können auf einen Temperaturbereich von -263°C bis ca. 5.000 °C (bei Verwendung von speziellen Materialien) ausgelegt werden. Je nach Temperaturbereich wird das Arbeitsmedium ausgewählt,
z. B. Wasserstoff bei extrem niedrigen und Natrium bei extrem hohen Temperaturen. Wegen seiner hohen Verdampfungswärme wird vorzugsweise Wasser als Arbeitsmedium verwendet. Es ist allerdings nur bei Temperaturen von über 0°C als Arbeitsmedium einsetzbar.
• Temperatur, Temperaturdifferenz
Die Leistung, die mit einer Heatpipe übertragen werden kann, ist abhängig von der Arbeitstemperatur (Temperatur des warmen Ortes) und der Temperaturdifferenz zwischen dem zu kühlenden Objekt (warmer Ort und Kontaktfläche des Kühlsystems/Wärmetauschers (kühlerer Ort).
8. Bei Kapillar-Heatpipes (Heatpipes mit spezieller Innenbeschichtung) bester Qualität hat die Einbaulage nahezu keinen Einfluß auf den Wirkungsgrad.
9. Der Wirkungsgrad von Nicht-Kapillar-Heatpipes verringert sich mit der Abweichung von der vertikalen Einbaulage.
10. Zu kleine Biegungsradien können, je nach Technologie, das Innenleben von Heatpipes beschädigen. Bei bestimmten Ausführungen ist selber biegen nicht erlaubt. Biegung von Heatpipes um sehr große Winkel kann den Wirkungsgrad verringern bzw. führt zur Wirkungslosigkeit. Hier besteht eine zusätzliche Abhängigkeit zur Einbaulage.
Quelle: Quick-Ohm Küpper & Co. GmbH


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