Siedekühlung
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Siedekühlung ist im Vergleich mit den konkurrierenden Methoden Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung die wirkungsvollste Möglichkeit, einem System oder Gegenstand Wärme bzw. thermische Energie zu entziehen.
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[Bearbeiten] Prinzip
Ein gut wärmeleitendes Metall wie Kupfer erhält eine große Anzahl paralleler, vertikaler Bohrungen, in die von unten eine Kühlflüssigkeit, meist Wasser, gepumpt wird. Diese verdampft an der heißen Oberfläche und benötigt dazu sehr viel Wärmeenergie (Latente Wärme), was wiederum für sehr effektive Kühlung des Metalls sorgt. Der Dampf wird abgesaugt und an anderer Stelle durch einen Luftkondensator geleitet, wodurch der Dampf unter Wärmeabgabe wieder kondensiert.
Bohrungen besitzen gegenüber glatten Flächen den Vorteil, dass die aufsteigenden Dampfblasen eine stärkere Turbulente Strömung erzeugen und so das Filmsieden mit zu geringem Wärmeübergang vom Metall zur Flüssigkeit unterbinden.
Der große Vorteil der Siedekühlung gegenüber anderen Kühlverfahren ist die sehr große Leistungsdichte und auch der der Schutz vor Überhitzung, solange Kühlflüssigkeit nachgepumpt wird. Es lassen sich mit Wasser Wärmestromdichten von maximal 300 kW/m2 erreichen, ohne die Wärmeübergangsflächen zu beschädigen.
Um ein Kilogramm Wasser bei 100 °C und 1013 mbar zu verdampfen, ist die Abtrennarbeit nach Tabelle von ΔU = 2.257 kJ/kg aufzuwenden. Gegenüber der spezifischen Wärmekapazität von flüssigem Wasser mit 4,187 kJ/(kg·K) kann somit die wirksame Wärmeabfuhr fast 540fach vergrößert werden.
[Bearbeiten] Leistungsvergleich
Die folgende Tabelle zeigt am Beispiel von Senderöhren für verschiedene Kühlungsarten den Aufbau der Anode und die maximale spezifische Belastbarkeit.
| Kühlungsart | Anodenart | max. spezifische Belastbarkeit |
|---|---|---|
| Strahlung | Graphit, Molybdän | 10 W / cm² |
| Druckluft | Außenanode aus Cu mit Kühlrippen | 50 W / cm² |
| Wasser- oder Ölkühlung | Außenanode aus Cu, von Kühlflüssigkeit umströmt | 100 W / cm² |
| Siedekühlung | Außenanode aus Cu, Wasser wird verdampft | 500 W / cm² |
Die mit Abstand größte Belastbarkeit ergibt sich bei der Siedekühlung. Hierbei wird sehr viel Energie beim Verdampfen des flüssigen Kühlmediums ausgenutzt, um auf diese Weise eine hohe Leistungsdichte an das Kühlmittel (meistens Wasser) abgeben zu können.
[Bearbeiten] Anwendungen
[Bearbeiten] Anoden von Elektronenröhren
[Bearbeiten] Wärmerohr
Wärmerohre (Heat Pipes) benötigt keine Hilfsenergie und arbeitet geräuschlos.
[Bearbeiten] Siedewasserreatoren
In Siedewasserreaktoren werden so die Brennstäbe gekühlt.
[Bearbeiten] Hochöfenmantelkühlung
Hochöfen können für die Mantelkühlung statt mit einer normalen Wasserkühlung auch mit einer Siedekühlung ausgerüstet werden. Die Siedetemperatur liegt bei dieser Kühlart entsprechend der höhenmässigen Anordnung für die obere Trommel, inder die Trennung in Wasserdampf und Wasser erfolgt, nur wenig über 100 °C. Hauptvorteil ist die konstante Materialtemperatur für den äusseren Mantel des Hochofens einschliesslich der Verrohrung und der Anschlüsse für die Kühlkästen.
[Bearbeiten] Verdampfungskühlung für Verbrennungsmotoren
Die Verdampfungskühlung ist ein offenes Kühlsystem und fand wegen ihres einfachen Aufbaus ohne Wärmeübertrager (Kühler) und Zirkulationspumpe (Wasserpumpe) in den Anfängen des Motorenbaus Verwendung, vorwiegend bei einzylindrigen Stationärmotoren, Traktoren und Baumaschinen, allerdings auch vereinzelt bei Flugzeugmotoren.
Der Zylinder ist im Motorblock von einem Wassermantel umgeben, das erforderliche Kühlwasser (Kühlmedium) wird einfach von oben durch eine Öffnung im Motorblock eingefüllt. Die Einfüllöffnung hat einen Durchmesser von ca. 15 cm und wird nicht verschlossen. Die beim Betrieb des Verbrennungsmotors entstehende Wärme bringt nach einiger Zeit, abhängig von Belastung, Höhe über dem Meeresspiegel und Außentemperatur, das Kühlwasser zum Kochen und Verdampfen, ohne dass es zu einem weiteren Temperaturanstieg kommt. Die Motortemperatur beträgt konstant 100 °C (auf Meereshöhe) und kann diesen Wert nicht übersteigen, solange sich ausreichend Wasser im System befindet. Der entstehende Wasserdampf entweicht durch die Einfüllöffnung nach oben. Zur Kontrolle des Wasserstandes befindet sich an der Einfüllöffnung ein Schwimmer mit einem Messstab, der nach oben aus dem Motorblock ragt.
Der Vorteil des offenen Kühlsystems ist sein einfacher Aufbau. Die Nachteile sind der hohe Wasserverbrauch (bei Volllast bis zu mehreren Eimern Wasser pro Tag), und der durch den Wassermantel erforderliche vergleichsweise sehr große Motorblock und das damit verbundene hohe Gewicht.
Die Verdampfungskühlung findet in den westlichen Industrieländern bei Verbrennungsmotoren seit ca. 1950 keine Verwendung mehr, jedoch werden in China, Indien usw. auch heute noch Motoren mit Verdampfungskühlung hergestellt, da durch den einfachen Aufbau (ohne Wasserpumpe, Schläuche, Kühler und Thermostat) die Herstellung und eventuelle Reparaturen sehr einfach sind.
