WikiDer > Wärmeleitung

Heat pipe
Ein Aluminium Kühlrippe mit Kupfer Wärmeleitung

EIN Wärmeleitung ist ein Transportmechanismus, der große Wärmemengen transportieren kann.

Die Verschiebung ist viel größer, als dies normalerweise durch einfache Führung bei viel kleineren Temperaturunterschieden und/oder über größere Entfernungen möglich wäre. In einem Wärmeleitung Es gibt ein Transportmedium, das auf der warmen Seite verdampft und Energie aufnimmt, wenn sich Gas auf die kalte Seite bewegt, wo es kondensiert und seine Wärme abgibt und dann als Flüssigkeit auf die warme Seite zurückfließt.

Operation

Schematische Darstellung der Wirkungsweise von a Wärmeleitung

In einem Wärmeleitung enthält ein Übertragungsmedium. Seine Funktionsweise basiert auf der Prinzip von Watt:

  1. Das Medium verdampft in dem Moment, in dem es mit der warmen Oberfläche in Kontakt kommt, Verdampfungswärme plus der spezifischen Wärme mal der Temperaturerhöhung der Energie (obwohl dieser zweite Teil wegen der großen Verdampfungswärme und der relativ kleinen Temperaturdifferenz normalerweise eine relativ kleine Komponente ist).
  2. Auf der kalten Seite kondensiert der Dampf wieder und gibt die aufgenommene Wärme wieder ab.
  3. Durch Kondensieren einerseits und Verdampfen andererseits entsteht eine Druckdifferenz, die dafür sorgt, dass das Gas zu fließen beginnt und der eigentliche Wärmetransport stattfindet.
  4. Um die kondensierte Feuchtigkeit zurück auf die warme Seite des Wärmerohrs zu bringen, entweder durch Schwerkraft oder a kapillar Materialien verwendet werden. Im Fall der Schwerkraft fließt die Flüssigkeit natürlich nach unten, aber bei Verwendung eines Kapillarmaterials kann das Kondensat auch gegen die Schwerkraft fließen. Als Ergebnis, wie Wärmerohre kann in alle Richtungen und mit Biegungen aufgetragen werden.
Schematische Darstellung der Wirkungsweise von a Wärmeleitung

Effiziente Wärmeübertragung

Der große Vorteil von Wärmerohre ist ihre Fähigkeit, Wärme äußerst effizient zu transportieren. EIN Wärmeleitung ist ein komplett passives Gerät. Im Inneren befinden sich keine beweglichen Teile und solange das Gehäuse intakt bleibt, Wärmeleitung weiterhin für immer funktionieren. Außerdem, a Wärmeleitung eine extrem gute Leitfähigkeit, viel besser als a Kupfer oder Silberbarren gleichen Durchmessers. Es gibt Wärmerohre die Wärme mit einer Dichte von bis zu 23 kW/cm² transportieren können. Dies ist etwa viermal so viel Wärme, wie an der Sonnenoberfläche freigesetzt wird, die eine Wärmeabgabe von etwa 6 kW/cm² hat2.[1]

Diese Effizienz beruht auf der Tatsache, dass relativ viel Energie benötigt wird, um eine Materialwechselphase durchzuführen. Diese Verdampfungswärme, von der die Wärmeleitung gleich der Wärmemenge, die für eine große Temperaturänderung freigesetzt oder benötigt wird. Mit Wasser, das in weit verbreitet ist Wärmerohre, die Verdampfungswärme beträgt 40,65 kJ/mol bei 100 °C. Dies ist mehr als das Fünffache der Wärme, die benötigt wird, um Wasser von 0 °C auf 100 °C zu erhitzen (= 75,3 J/(K mol) × 100 K = 7,53 kJ/mol).

Temperaturbereich

Einer der Nachteile von Wärmerohre ist ihr Temperaturbereich. Sie funktionieren nur in dem Temperaturbereich, für den sie ausgelegt sind. Darüber hinaus haben sie nur die Leitfähigkeit des Materials, aus dem sie bestehen, um Wärme zu übertragen. Dies ist normalerweise Kupfer, ein guter Leiter, daher leiten sie immer noch bei etwa 1/80 ihrer Kapazität.

Der Funktionstemperaturbereich wird durch das Medium bestimmt, mit dem die Wärmeleitung Funktionen sowie das Material, aus dem es besteht. Wenn die Schmelztemperatur des Materials, dessen Wärmeleitung erreicht ist, bricht sie und das Medium kann entweichen. Dies ist eigentlich nur bei extremen Anwendungen der Fall, etwa im Hitzeschild eines Raumfahrzeugs.

Eine echtere Einschränkung ist der Gefrierpunkt. Wenn die warme Seite der Wärmeleitung den Gefrierpunkt des Mediums nicht überschreitet, verdampft das Medium kaum (Sublimation ist möglich), so dass der Wärmeübergang drastisch abnimmt.

Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die kalte Seite des Wärmeleitung ist so warm, dass das Medium nicht mehr kondensiert. Dies kann jedoch gelöst werden, indem während der Produktion mehr Medium hinzugefügt wird; weil mehr Medium verdampft, steigt der Druck und die Siedetemperatur steigt. Dadurch sinkt die Temperatur der kalten Seite wieder unter den Siedepunkt und das Medium kondensiert wieder. Dadurch erreicht der Prozess seine maximale Betriebstemperatur erst, wenn sich das gesamte Medium in der Gasphase befindet oder bis der kritische Punkt des Mediums erreicht ist, wonach kein Phasenwechsel mehr stattfindet.

Anwendungen

Die Grundidee von Wärmerohre stammt aus der Dampfzeit. James Watt entdeckte es nach ihm benannt Prinzip von Watt in seinen Bemühungen, die Effizienz von Dampfmaschinen zu verbessern. Das Wärmeleitung basiert in der Tat auf diesem Watt-Prinzip. Aber die erste moderne Wärmerohre mit kapillar Material wurde seit den frühen 1960er Jahren kommerziell erforscht, hauptsächlich auf Initiative der of NASA, der dies als erster nutzte, um die Temperaturen in Satelliten sowohl auf der Sonnen- als auch auf der Schattenseite gleich zu halten. Später, NASA Wärmerohre auch angewendet auf Space Shuttle kühl zu halten.

Das größte Anwendungsfeld ist heute wohl die Computerindustrie. Sei hier Wärmerohre voll genutzt, um die von den verschiedenen Teilen erzeugte Wärme an einen Ort zu transportieren, an dem sie leichter an die Luft abgegeben werden kann. Sie sind in fast jedem Computer, auf den meisten Grafikkarten und auf vielen fortschrittlichen Prozessorkühlern vorhanden.

Anwendung in Sonnenkollektoren

In der Moderne Vakuumröhrenkollektor wird oft Wärmerohre angewendet. Wärmerohre sind hier ideal, da sie es einfach machen, die Strahlungswärme von einer großen Fläche auf eine kleine Fläche des Krümmers zu konzentrieren. Der Verteiler kann die Wärme an das zu erwärmende fließende Wasser oder ein anderes Transportmedium abgeben. Im Vergleich zu anderen Möglichkeiten, wie einem massiven Wärmeleiter oder einem Rohr mit fließendem Wasser, ist die Wärmeleitung Leistungen. EIN Wärmeleitung hat eine viel geringere spezifische Wärme, weil es sehr dünn und mit einem Gas bei niedrigem Druck gefüllt sein kann. Dadurch wird es viel schneller warm. Nur ein Bruchteil seines Volumens ist mit dem Medium gefüllt. Da wenig Material (Kupfer) vorhanden ist, sind die Materialkosten gering. Außerdem, a Wärmeleitung eine viel größere Wärmeübertragungskapazität als massives Kupfer, aber auch als ein Rohr mit fließendem Wasser. Das liegt daran, dass alle Wärmerohre kann parallel verwendet werden. Beim Pumpen von Wasser durch die vielen Vakuumröhrenkollektoren selbst würde viel mehr Kupfer und Verbindungsmaterial benötigt und der hydraulische Widerstand vieler in Reihe geschalteter Röhren würde den Wasserfluss praktisch unmöglich machen. Die Alternative, alle Röhren parallel zu schalten, würde ein großes Ungleichgewicht im Wirkungsgrad verursachen. Dies liegt daran, dass die richtige Wasserverteilung durch die Rohre unsicher wird. Auch das Gewicht ist durch den geringeren Kupfer- und Wasseranteil geringer, was das Bauen auf Dächern erleichtert.

Externe Links

Siehe die Kategorie Wärmerohre von Wikimedia Commons für Mediendateien zu diesem Thema.