DE2425745B2

DE2425745B2 - Einrichtung zur Wärmebehandlung

Info

Publication number: DE2425745B2
Application number: DE2425745A
Authority: DE
Inventors: Richard L. Sparta Pessolano; Robin B. Parsippany Rhodes
Original assignee: Isothermics Inc Clifton Nj (vsta)
Current assignee: Isothermics Inc Clifton Nj (vsta)
Priority date: 1973-06-01
Filing date: 1974-05-28
Publication date: 1978-09-28
Also published as: DE2425745A1; FR2231929A1; US3880230A; JPS5016154A; CA982533A; DE2425745C3; FR2231929B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Wärmeübertragung, insbesondere für den Betrieb einer Heiz- und Klimatisierungsanlage, die teilweise ineinandergreifende waagrecht angeordnete Wärmerohre aufweist, in welchen sich in einem Teilabschnitt teilweise verdampfendes und in einem anderen Teilabschnitt teilweise kondensierendes Fluid sowie eine den flüssigen Anteil des Fluids von dem Kodensationsabschnitt in den Verdampfungsabschnitt leitende Kapillarstruktur befinden, und bei der eines der Wärmerohre im Verdampfungsabschnitt mit einer äußeren Wärmequelle thermisch gekoppelt ist.

Aus der Zeitschrift »Chemie, Ingenieur, Technik« (1967), Seiten 21 bis 26, ist eine Einrichtung zur Wärmeübertragung der erwähnten Gattung bekannt. Dabei umschließen jedoch Teile des sekundären Wärmerohres Teile des primären, und es fehlen Hilfseinrichtungen zur Erzielung eines möglichst gleichmäßigen Wärmeflusses von der Wärmequelle zu den Endverbrauchern.

Aus der US-PS 3702533 ist eine Einrichtung zur

Wärmeübertragung zum Antrieb eines Heißgasmotors bekannt, die waagrecht angeordnete Wärmerohre mit der erwähnten Kapillarstruktur und Fluidbeschikkung aufweist, wobei die Wärmerohre jedoch einander nicht teilweise umschließen, sondern aneinander anschließen. Auch fehlen weitere Hilfseinrichtungen zur Erzielung eines möglichst gleichmäßigen Wärmeflusses.

Aus der US-PS 2237054 ist eine Einrichtung zur Wärmeübertragung für die Raumbeheizung bekannt, die waagrecht angeordnete Wärmerohre mit der erwähnten Fluidbeschickung aufweist, wobei die Wärmerohre jedoch an ihrem einen Ende unmittelbar Flammen oder heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt sind oder beheizt werden. Bei der Kleinheit der für die Wärmezuführung zur Verfügung stehenden Rohrfläche ist es jedoch nicht möglich, einen ausreichenden Wärmefluß zu erzielen. Die elektrische Heizung ist zudem kostspieliger als die Beheizung mit Verbrennungsgasen.

Aus der US-PS 2581347 ist der Betrieb von Absorptionskälteanlagen unter Verwendung eines senkrecht angeordneten Wärmerohres bekannt, das mit Quecksilber und einem Inertgas beschickt ist, sowie keine Kapillarstruktur im Inneren aufweist.

Schließlich ist aus der DE-PS 1904105 eine Einrichtung zur Wärmeübertragung bekannt, die waagrecht angeordnete Wärmerohre mit der obenerwähnten Kapillarstruktur und Fluidbeschickung aufweist, ohne daß eine thermische Kopplung mehrerer Wärmerohre vorgesehen ist. Die Kapillarstruktur im Inneren des Wärmerohres ist durch Dochtstege verbessert, wodurch ein Ausbrennen des Wärmerohres vermieden werden soll.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung zur Wärmeübertragung der eingangs genannten Gattung, bei der der Wärmefluß von der Wärmequelle zu den Endverbrauchern gleichmäßig erfolgt.

Diese Aufgabe soll durch die Verbindung der im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst werden.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung liegt somit eine zweifache, gestaffelte Anwendung des Wärme rohrprinzips vor, indem die Wärmezuführung zu ei nem sekundären Wärmerohr, vorzugsweise aber zu mehreren solcher Wärmerohre, über einen geschlossenen Rezipienten, d. h. ein primäres Wärmerohr, erfolgt, in den Teilabschnitte der sekundären Rohre ein- gebettet sind und in welchem ein interner Kreislauf zwischen an der Wärmequelle verdampfender Flüssigkeit und an den Rohrabschnitten kondensierendem Dampf eine wirksame und gleichförmige Beheizung der Wärmerohre bewirkt, die ihrerseits nach demsel ben Prinzip die Fortleitung der Wärme zu den Ver- brauchsstelllen übernehmen.

Insbesondere ermöglicht die Einrichtung gemäß der Erfindung in Wohnraumheizungsanlagen die Wärmeverluste zu reduzieren, den Wirkungsgrad der Heizung zu erhöhen und zugleich den Doppelaufwand an Anlagebestandteilen zu vermeiden, wie er herkömmlicherweise bei Gas-, öl- und Kohleheizungen mit besonderen Warmwassererhitzern und besonderen Luftkonditionierungseinrichtungen besteht.

65. Ein primäres Wärmerohr ist als thermisches Bindeglied zwischen einer äußeren Wärmequelle und den sekundären Wärmerohren wirksam und in ihm geht das Verdampfen oder Sieden eines Betriebsmittels

(Fluids) vor sich, gefolgt von der Kondensation dieses Betriebsmittels (Fluids) auf den Außenflächen einer Mehrzahl von sekundären Wärmerohren, die das primäre Wärmerohr thermisch mit einer der obenerwähnten Kammern (Verbraucher) verbinden.

Dem Umwandler oder primären Wärmerohr kann durch jede Art von Wärmequelle Energie zugeführt werden. Aus dem Umwandler tritt die Wärme in die sekundären Wärmerohre ein, die ihrerseits die thermische Energie der Wasserkammer sowie der Luftkammer zuleiten. Bei einem Anlagebeispiel dient der Wassertank zwei Aufgaben: erstens als Quelle für Warmwasser im Haushalt und zweitens zur Brennerüberwachung bzw. -steuerung. Gemäß einer charakteristischen Arbeitsweise wird der Brenner abgestellt, wenn der Wassertank die vorbestimmte Temperatur erreicht. Wenn die Temperatur des Tankwassers unter eine zweite vorbestimmte Temperatur fällt, wird der Brenner wieder angestellt.

Der Warmluftstrom wird durch einen Raumthermostaten geregelt, der ein mit zwei Geschwindigkeiten ausgestattetes Gebläse steuert. Das Gebläse besitzt eine niedrige Geschwindigkeit, um einen konstanten schwachen Strom von Warmluft zu fördern, und eine hohe Geschwindigkeit, um zusätzliche Wärme bzw. Warmluft zu liefern, wenn es erwünscht ist. Die Gebläsesteuerung ist völlig unabhängig vom Brenner.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den thermischen Umwandler, d. h. das primäre Wärmerohr.

Fig. 1 veranschaulicht in einer Ausführungsform eine Einrichtung zur Wärmeübertragung. Gezeigt ist eine Mehrkammereinrichtung zur Wärmeübertragung, bei der sekundäre Wärmerohre dazu dienen, mehrere getrennte Kammern mit dem primären Wärmerohr bzw. untereinander thermisch zu verbinden. Anzahl, Größe, Form, Ausbildung und relative Ausrichtung der getrennten Kammern können geändert werden, um sie jeder Art von Erhitzungs- oder Abkühlungszwecken anzupassen. Ebenso können die Wärmerohre, ihre Anzahl, Größe, Ausrichtung, Ausbildung und innere Arbeitsweise abgewandelt werden, um ein besonderes Erhitzungs- oder Kühlungsproblem einer Lösung zuzuführen.

Die primäre Art der Wärmeübertragung erfolgt durch Verdampfung und Kondensation eines Betriebsmittels (Fluids) in einem primären Wärmerohr A8 und in einem oder mehreren der sekundären Wärmerohre 10. Das primäre Wärmerohr 18 bewirkt eine Umwandlung der typischen hohen bzw. starken und ungleichförmigen Wärmeflüsse auf seiner Außenseite in kleinere bzw. schwächere und gleichmäßigere Wärmeflüsse. Die sekundären Wärmerohre 10 dienen als thermische Verbindungsglieder und als Wärmeübertragungsmittel zu den verschiedenen Kammern 26, 28,30, und 32. Eine weitere Wärmeübertragung kann durch Wärmerohre 33 erhalten werden, die in oder zwischen den Kammern 26, 28, 30 und 32 angeordnet sind.

Das in dem primären Wärmerohr 18 verwendete Fluid muß nicht notwendigerweise das gleiche sein wie das im Inneren der Wärmerohre in den Kammern benutzte Betriebsmittel (Fluid).

Alle Materialien bzw. Werkstoffe der Behältnisse sowie andere Werkstoffe dei Einrichtung können gewählt und verändert werden; hierbei bestehen nur Grenzen im Hinblick auf ihre chemische Verträglichkeit untereinander und mit den verschiedenen Stoffen,

■> mit denen sie in Berührung kommen können. Entsprechendes gilt für die Betriebsmitel (Fluide), die in der Einrichtung verwendet werden. Zusätzlich unterliegen sowohl Betriebsmittel (Fluide) als auch Behältniswerkstoffe der Bedingung, daß die strukturelle Int5grität der Behältnisse den Arbeitstemperaturen und den sich ergebenden Arbeitsdrücken der Betriebsmittel (Fluide) widerstehen muß.

Die Wärme muß aus dem primären Wärmerohr 18 zu einer oder mehreren der Kammern 26, 28, 30 und 32 übertragen werden. Diese verschiedenen Kammern sollen voneinander abgeschlossen sein, wobei unter den schlechtesten Ausführungs- und Betriebsbedingungen keine Masseübertragung von einer Kammer in eine andere Kammer stattfindet, mit der Ausnahme, daß eineMasseübertragung als ein Teil eines Wärmeübertragungsprozesses beabsichtigt ist.

Eine Wärmequelle 34, die eine Gasflamme, eine ölbrennerkammer, ein elektrischer Erhitzer oder irgendeine andere Quelle für thermische Energie sein

2) kann, dient zum Zuführen der primären Wärme in dem erforderlichen Ausmaß zu der Einrichtung. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die Wärmequelle 34 dem primären Wärmerohr 18 zugeordnet. Es könnte bei der Anordnung nach Fig. 1

μ mit geringfügigen Anpassungsmaßnahmen die Wärmequelle 34 auch einer der Kammern 26...32 zugeordnet werden.

Die Kammer, an die die Wärmequelle 34 angelegt wird, muß zusätzlich zu ihren Einschließungswänden

r> ein Fluid sowie Verdampfungsflächen, Kondensationsflächen, ein Sicherheitsüberdruckventil sowie temperatur- und druckempfindliche Regelvorrichtungen, die zur Lösung eines besonderen Erhitzungsproblems notwendig sein können, umfassen.

Der Hauptzweck für die Verwendung eines Wärmerohres im Gegensatz zum direkten Anbringen der Wärmequelle 34 an den Verdampferenden der sekundären Wärmerohre 10 ist die Herstellung einer Gleichförmigkeit in dem Wärmefluß (der durch die

4> vier Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist) von der Wärmequelle 34 zu den Kammern 26...32. Zusätzlich zum Erzeugen einer Gleichförmigkeit in dem Wärmegradienten der vorliegenden Anordnung dient das Wärmerohr 18 auch dazu, die Möglichkeit des Auftretens eines Phänomens herabzusetzen, das als Ausbrennen des Wärmerohrs bezeichnet wird. Dieses Ausbrennen des Wärmerohrs tritt auf, wenn die Verdampfungsgeschwindigkeit in dem Verdampfungsbereich die Geschwindigkeit der Kondensatrückführung zum Verdampfungsbereich übersteigt und der Verdampfer austrocknet. Unter diesen Umständen kann ein Wärmerohr nicht wirksam werden.

Theoretisch braucht die in Fig. 1 gezeigte Anordnung nur ein einziges sekundäres Wärmerohr 10. Je-

bo doch haben Versuche gezeigt, daß man einen wirksameren Betrieb erhält, wenn eine Mehrzahl von sekundären Wärmerohren in dem primären Wärmerohr 18 enthalten sind. Ein Beispiel für die Anordnung einer solchen Mehrzahl von sekundären Wärmeroh-

(,5 ren im Innern des primären Wärmerohrs ist in Fig. 2 veranschaulicht.

Gemäß Fig. 2 ist ein Y-förmiger Schacht 36 als Perkolator oder Drucksatzkanal vorgesehen. Ein

Dampfblasensammler 37 dient der Sammlung von Dampfblasen, die in an sich bekannterweise das Hilfsmittel zum Pumpen des Betriebsmittels (Fluids) durch den Schacht 36 zu den oberen Enden der Dochtstruktur bilden.

Auf diese Weise wird der Ausbrenn-Wärmefluß der Verdampfungsfläche des primären Wärmerohrs infolge dieser zusätzlichen Kondensatrückführung stark erhöht.

Eine zusätzliche Kondensatrückführung, nämlich der Schwerkraftrücklauf von Kondensat von der Kondensatorfläche, wird unterstützt durch die Verwendung von parallelen radialen Rippen 38 auf den sekundären Wärmerohren 10. Diese Rippen unterstützen, bei Anordnung in richtigem Abstand, die Kondensatrückführung zufolge eines Meniskus, der sich zwischen benachbarten Rippen 38 und auf den hinsichtlich der Schwerkraft unteren Flächen bildet. Wenn Tropfen von diesen unteren Flächen herabfallen, dienen die Oberflächenspannungskräfte aufgrund dieses Meniskus dazu, Kondensat in der Form eines Films abzuziehen, der von den oberen Flächen dieser parallelen Rippen herabfällt. Es ist anzunehmen, daß durch dieses Phänomen die Wärmeübertragung infolge Kondensation an der Unterseite einer waagrechten Fläche um das Fünffache gesteigert wird im Vergleich zur Kondensation ohne Bildung eines solchen Meniskus und die sich daraus ergebenden Oberflächenspannungskräfte. Der Hauptgrund für die erhöhte Wärmeübertragung ist das Herabsetzen der Filmdicke beim Herabfallen des Films.

Der Aufbau nach Fig. 2 arbeitet mit maximalem Wirkungsgrad, wenn jedes sekundäre Wärmerohr 10 in seiner eigenen senkrechten Ebene verläuft. Dieser Verlauf weist jedem Wärmerohr 10 eine eigene Tropfebene zum Kondensat 40 zu. Dadurch wird für das Fluid der Bewegungsumlauf in dem primären Wärmerohr 18 weiter unterstützt.

Die Wärme kann in das primäre Wärmerohr 18 mittels Wärmeleitung durch eine oder mehrere seiner Wände und dann durch die Verdampferfläche 42 (Fig. 2) eintreten. Da das Fluid und sein Dampf sich bei herabgesetztem Druck in einem Gleichgewichtszustand befinden, wird durch die Zuführung von Wärme zum primären Wärmerohr 18 eine Änderung im Gleichgewicht hervorgerufen und die Verdampfung des Betriebsmittels gefördert. Wenn dies eintritt, wird die latente Verdampfungswärme des Betriebsmittels auf die sekundären Wärmerohre 10 durch die Kondensation von Dampf an den äußeren Flächen übertragen. Die Wärme wird dann in Achsrichtung vom primären Wärmerohr 18 fort durch die innere Dynamik der sekundären Wärmerohre 10 übertragen.

Somit wird durch Übertragung von Wärme durch die Verdampfungsfläche 42 hindurch als Ergebnis einer bestimmten Temperaturdifferenz quer zu dieser Verdampferfläche 42 bewirkt, daß Teile des Betriebsmittels d. h. des Fluids 41 unverzüglich verdampfen und dabei latente Verdampfungswärme absorbieren. Als Ergebnis des durch diese Dampfbildung hervorgerufenen Druckgradienten wird der Dampf 41' in Bereiche niedrigeren Drucks und demzufolge niedrigerer Temperatur getrieben. Im Innern des primären Wärmerohrs 18 liegen diese Bereiche tieferen Drucks und tieferer Temperatur in der Nähe der sekundären Wärmerohre 10, die sich durch das primäre Wärmerohr 18 erstrecken. Weil die sekundären Wärmerohre 10 sich auf einer Gleichgcwichtstemperatur befinden, die unter der des neu erzeugten Dampfes liegt, wird der neu erzeugte Dampf 41' an den Rippen 38 der sekundären Wärmerohre 10 kondensieren und dabei die latente Verdampfungswärme des Betriebsmittels d. h. des Fluids 41 an die Rippen 38 abgeben.

Somit wird die Wärme, die als Ergebnis einer endlichen Temperaturdifferenz quer zu der Verdampferfläche 42 des primären Wärmerohrs 18 an die Rippen 38 übertragen wird, durch die Wandung 9 des sekundären Wärmerohrs 10 hindurchgeleitet, um Teile des in den sekundären Wärmerohren 10 enthaltenen Betriebsmittels 11 unverzüglich zu verdampfen oder zum Sieden zu bringen, wobei die latente Verdampfungswärme des Betriebsmittels 11 absorbiert wird. Auf- grund des durch die Dampfbildung hervorgerufenen Druckgradienten wird der Dampf 11' innerhalb der sekundären Wärmerohre 10 in Bereiche niedrigeren Drucks und demzufolge niedrigerer Temperatur getrieben. Diese Bereiche tieferen Drucks und tieferer Temperatur sind in den Kammern 26, 28, 30 und 32 der Fig. 1 vorhanden. Weil diese Kondensationsbereiche sich auf einer Gleichgewichtstemperatur befinden, die unter der des neu erzeugten Dampfes liegt, wird der neu erzeugte Dampf an den Innenflächen der sekundären Wärmerohre 10 in diesen Bereichen kondensieren und hierbei die latente Verdampfungswärme des Betriebsmittels 11 abgeben.

Die abgegebene Wärme wird durch die Wandung der sekundären Wärmerohre 10 in den Bereichen, die

3" in den Kammern 26... 32 liegen, hindurchgeleitet und dann von den Außenflächen der Wärmerohre 10 an das in den Kammern 26.. .32 enthaltene Betriebsmittel in wirksamer und gleichförmiger Weise übertragen.

Für den Fall, daß die Wärmequelle 34 inaktiv ist und daß eines oder mehrere der in den Kammern 26...32 enthaltenen Betriebsmittel sich auf einer Temperatur befinden, die von der Temperatur verschieden ist, auf der sich ein Betriebsmittel innerhalb

ίο einer der Kammern befindet, ist der Temperaturgradient ausreichend, um eine Wärmeübertragung von einem Betriebsmittel höherer Temperatur auf ein Betriebsmittel tieferer Temperatur zu begünstigen.
Die Wärmeübertragung an das in den Kammern 26...32 enthaltene Betriebsmittel von den thermisch in Verbindung stehenden Wärmerohren kann durch Leitung, Konvektion, Strahlung oder durch die Verdampfung und Kondensation eines Betriebsmittels oder durch die Kombination hiervon erfolgen. Um diese verschiedenen Arten der Wärmeübertragung zu realisieren, können die thermisch in Verbindung stehenden Wärmerohre unterschiedlich glatt, rauh oder gerippt sein, um die Wärmeübertragung an das Betriebsmittel zu beeinflussen.

Bestimmte Wärmequellen, etwa für elektrische Wärme, können an das primäre Wärmerohr 18 angelegt werden, indem die Heizelemente in seinem Innern angeordnet werden. Dies unterscheidet sich von der dargestellten Ausführungsform, bei der die Grundwärmequelle äußerlich angelegt ist.

Das primäre Wärmerohr 18 und die ihm zugeordneten zahlreichen sekundären Wärmerohre 10 dienen als Hilfsmittel für den thermischen Anschluß und damit für die Wärmeenergieversorgung einer Heiz- und Kühleinrichtung .

So können eine oder mehrere der verschiedenen Kammern die Form eines Luftkanals haben, der so ausgebildet ist, daß er den Durchtritt unterschiedli-

eher Mengen von Luft oder eines anderen Gases durch diesen Kanal zuläßt. Diese Luft stellt in thermischer Berührung mit der Außenfläche der sekundären Wärmerohre 10, die sich in die Kammer bzw. den Kanal erstrecken. Der Zweck einer solchen Kammer ist das ^r> Anheben oder Senken der Temperatur der hindurchströmenden Luft. Eine oder mehrere der einzelnen Kammern können die Form eines Wassertanks haben. Vom Tank absorbierte Energie ist für sofortigen Verbrauch verfügbar, entweder sogleich als Warmwasser ι« im Haushalt, oder vermöge der thermisch in Verbindung stehenden Wärmerohre sogleich als Warmluft für die häusliche Heizung.

Weiter können eine oder mehrere der verschiedenen Kammern eine geometrische Anordnung bzw. π Gestaltung aufweisen, die ähnlich und auswechselbar mit oder verwendbar anstelle des Generators eines Absorptionskältesystems, um von der Energie gespeist zu werden, die von der Kammer abgegeben werden kann. 2«

Eine derartige Kammer 28 oder 32, die als Energiequelle für eine Absorptionsanlage dient, kann als Hilfsmittel angesehen werden, um Wärmeenergie aus einer zweiten Kammer zu entnehmen, indem die Verdampferschlange der Absorptionsgefrieranlage unmittelbar an dieser Kammer angebracht wird. Diese Kammer kann zur Kühlung von Luft, Wasser oder eines anderen Mediums herangezogen werden, das in der Einrichtung verwendet wird.

Wird die Einrichtung als Gebäudeheizeinrichtung verwendet, so hat sie einen Abzug46 (Fig. 2) für Verbrennungsprodukte der Wärmequelle 34. Der Abzug 46 empfängt die Verbrennungsprodukte durch den Umfangskanal 50 (Fig. 2). Warmwasser für den Haushalt wird vom Tank geliefert. Ein Luftaustauschsystem und Leitungsnetzwerk zur Luftklimatisierung in Gebäuden weist einen Umlaufkanal für die Abgabe von Luft und die Rückführung von Luft auf. Die Luft wird durch ein Gebläse an einem Abschnitt der Warmluftkammer vorbei in Umlauf gesetzt. Die erhitzte Luft wird so durch die Förderleitung den einzelnen Raumheizöffnungen zugeführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Wärmeübertragung, insbesondere für den Betrieb einer Heiz- und Klimatisierungsanlage, die teilweise ineinandergreifende waagrecht angeordnete Wärmeröhre aufweist, in welchen sich in einem Teilabschnitt teilweise verdampfendes und in einem anderen Teilabschnitt teilweise kondensierendes Fluid sowie eine den flüssigen Anteil des Fluids von dem Kondensationsabschnitt in den Verdampfungsabschnitt leitende Kapillarstruktur befinden, und bei der eines der Wärmerohre im Verdampfungsabschnitt mit einer äußeren Wärmequelle thermisch gekoppelt ist, gekennzeichnet durch die Verbindung folgender Merkmale:

a) die äußere Wärmequelle (34) ist unterhalb des primären Wärmerohres (18), das Abschnitte sekundärer Wärmerohre (10) umschließt, angeordnet;

b) im Bereich der Wärmequelle (34) ist im unteren Abschnitt des primären Wärmerohres (18) ein Dampfblasensammler (37) vorgesehen, von dem sich ein Y-förmiger Schacht (36) zu dem oberen Abschnitt des primären Wärmerohres erstreckt, durch den mit Hilfe der Dampfblasen Fluid (41) nach oben gefördert wird;

die sekundären Wärmerohre (10) sind mit das Ablaufen des Kondensats (40) fördernden Rippen (38) versehen, und jedes sekundäre Wärmerohr (10) weist eine eigene senkrechte Tropfebene auf;

d) um die Kondensationsabschnitte der sekundären Wärmerohre sind mit einem Wärmeübertragungsmittel gefüllte Kammern (26, 28, 30, 32) angeordnet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen mit einem Wärmeübertragungsmittel gefüllten Kammern ein Verbindungswärmerohr (33) vorgesehen ist.

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