Experimental Investigations of Heat Pipe Systems for Use in Electrical Engines

Mit dem Ziel die Effizienz elektrischer Arbeitskraftmaschinen durch ein innovatives Kühlsystem zu erhöhen, wird Wärmetransportsystem auf Basis von Wärmerohren entwickelt und analysiert. Die Leistungsfähigkeit des Systems bei Variation Temperaturbereichs zugeführten Wärmestroms sowie der Einfluss Rotation werden experimentell untersucht. Der Wärmewiderstand im Vergleich reiner Wärmeleitung um 98 % reduziert. hat keinen signifikanten den Wärmewiderstand, bis zum Erreichen Leistungsgrenze konstant ist. ist temperaturabhängig stimmt annähernd mit Kapillarkraftgrenze überein. A heat transport system based on pipes is developed and analyzed. The aim to increase the efficiency of electrical engines by transferring dissipation-related heat. performance investigated experimentally varying temperature range supplied flow as well rotational speed. thermal resistance reduced compared pure conduction. rotation has no significant influence resistance, which constant until power limit reached. dependent approximately coincides with capillary force limit. Herkömmliche einphasige Kühlsysteme sind hinsichtlich ihrer Wärmetransportkapazität physikalisch begrenzt limitieren Energiewandlungssystemen, wie z. B. Arbeitskraftmaschinen. Zunehmende Leistungsdichten bzw. Bestrebungen zur Miniaturisierung erhöhen thermische Belastung einzelner Komponenten aufgrund unzureichenden Abtransports dissipationsbedingten Wärme. Insbesondere großformatigen elektrischen Generatoren, sie in Windenergieanlagen eingesetzt werden, führen Temperatursteigerungen ungleichmäßige Temperaturverteilungen strukturellen thermischer Ausdehnung somit Abweichung idealen Geometrie damit einer Verringerung 1, 2. Im Rahmen dieser Arbeit zweiphasiges eingesetzt, Wärme aus Dissipation Energiewandlung vom Ort Entstehung abzutransportieren Temperaturen innerhalb Generators homogenisieren. Wärmerohre geschlossene Systeme innenliegenden Kapillarstruktur für Transport Arbeitsfluids, das Sättigungszustand vorliegt. Das Arbeitsfluid verdampft lokal Wärmezufuhr kondensiert an anderer Stelle unter Wärmeabgabe. Vorteil dieses ist, dass es einen Wärmeleiter darstellt keine zusätzlichen Hilfsaggregate benötigt da Fluidkreislauf ausschließlich Druckdifferenzen zwischen Wärmesenke -quelle aufrechterhalten wird. Beim Einsatz rotierenden Teil Arbeitsmaschine (Rotor) wirkt Wärmerohr neben Gravitation zusätzlich Zentrifugalkraft. Richtung resultierenden Kraft abhängig momentanen Drehwinkel Rotors. Eine Zentrifuge horizontaler Drehachse Untersuchung Wärmetransportverhaltens Betrieb Wärmerohrs untersuchen. Weitere Kräfte, elektromagnetische ihres geringen Einflusses untersuchende System vernachlässigt. besteht neun parallel angeordneten Länge 600 mm einem Außendurchmesser 10 (vgl. Abb. 1 Tab. 1). gesinterte Kupfer, Wasser. über Wärmekoppelelemente Kupfer Seite Wärmequelle -senke Kontakt gebracht. wärmeübertragende Fläche beträgt beidseitig jeweils 225 cm2. Verdampferseitig eine konstante Wärmestromdichte mithilfe Heizpatronen, Bohrungen Kupferplatte einbracht sind, zugeführt. Damit tatsächlichen Bedingungen, auftreten, abgebildet. charakteristisch Kondensatorseitig flüssigkeitsdurchströmte Kühlplatte aufgenommen externen Kühlkreislauf Umgebung abgegeben. Temperatur TK Eingangstemperatur Kühlwassers Tein 2) eingestellt. Lüfterdrehzahl Umgebungs-Wärmeübertragers (Abb. 3) Heizer gesteuert. Parameter Wert Anzahl [–] 9 Wasser [mm] Material da) Innendurchmesser di 8,4a) Höhe tKap 0,7 eff. Porenradius reff [µm] 22,9a) Auf beiden Seiten vier Stellen Thermoelemente Typs K Außenwand Koppelelementen angebracht. Durch Differenzschaltung Paar Temperaturdifferenz ΔTi Verdampfer- Kondensatorseite gemessen. Daraus ergeben sich Messstellen Temperaturdifferenzen 2). Für Messung Absoluttemperatur Platinwiderstands-Temperatursensoren (PT100) Nut Wärmekoppelelement respektive positioniert. zugeführte Wärmestrom Produkt Spannungsabfalls U Heizpatronen Stromstärke I berechnet. abgeführte Energiebilanz fluiddurchströmte Reduzierung (Verlust-) Umgebung, (adiabate Zone Wärmerohre, Wärmekoppelelemente) vollständig alukaschierter Mineralwolle isoliert. 1) bildet Einheit, Rotationsachse montiert 3). Durchmesser ca. 2500 rotiert Drehzahl 30 min−1. experimentelle so gewählt, Beschleunigungskräfte, Wärmtransportsystem wirken, vergleichbar Zentrifugalkräften Arbeitskraftmaschine sind. verfügt drei Arme, denen auch messtechnische Datenverarbeitung, Ausgleichsgewichte Über Schleifring Steuerungs- Datensignale Strom Energieversorgung übertragen. Antriebswelle frequenzgesteuerten Getriebemotor angetrieben. Mithilfe Versuchsaufbaus können Wärmeströme 700 W zugeführt Kühltemperaturen 70 °C abgeführt werden. Versuchsparameter numerisch berechneten Temperaturfeldern thermisch besonders belasteter Spezifikationen eines Windenergieanlage. experimentellen Quantifizierung Wärmetransports Wärmerohrsystems Identifizierung Abhängigkeit Rotationsgeschwindigkeit (Drehzahl n) Wärmesenke. Kühltemperatur Messstelle Abbn. erfasst Te Rotationsgeschwindigkeiten Kräfte Untersuchungen Versuchsanlage realen Drei Drehzahlen (7,2, 14,4 20,0 min−1) (50, 60 °C) n am Kondensator gehalten 0 schrittweise erhöht. Sättigungstemperatur Kondensatorzone treibende Fluidtransport steigt zunehmendem Wärmestrom. Vollmaterial, bspw. Kupferstab, Zirkulation Arbeitsfluids transportiert. In elektrisch beheizten Verdampferzone Fluid Phasengrenzfläche sinkenden Flüssigkeitsspiegel gekrümmt. resultiert Kapillarkraft, Druckunterschied führt. Infolgedessen strömt flüssige Verdampferzone. Aufgrund Naturumlaufs sehr viel effizienter als jedoch sog. Leistungsgrenzen limitiert, Funktion Fluid- Materialeigenschaften Kreislauf Verdampfung, Kondensation Fluidströmung, Naturumlauf, maximalen Massenstroms limitiert. übertragende begrenzt, deutlich höher. überwiegend Fluideigenschaften Sättigungstemperatur. betrachteten verwendeten nur Siedegrenze Bedeutung. Folgenden daher zwei vorgestellt, untersuchten Temperaturbereich 50 120 relevant ruhende gültig. hier betrachtete rotierende liegt Maximum Beschleunigungsvektors 11,92 m s−2 Minimum 7,7 s−2. Differenz Erdbeschleunigung (9,81 s−2) Berechnung ruhendes angenommen. Zudem Querschnitt rotationssymmetrisch, weshalb erster Annäherung physikalischen Mechanismen Kapillardruck Strömungsdruckverlust hat. limitiert Massenstrom Übersteigen Druckverluste Naturumlauf Kapillardruck, kann übertragbare nicht weiter gesteigert 4. Permeabilität Sintermetallstrukturen nach Chi 5, durchströmten Querschnittsfläche Al effektiven leff. zunehmender Viskosität νl sinkender Druckverlust. Längsachse jederzeit orthogonal Gravitation, kein Kondensator- bedingt Höhenunterschied besteht. Heizfläche Tw gegenüber Fluids Tf notwendig. Dampfes Tv sinkt Oberflächenspannung σ, was Dampfblasenbildung begünstigt. rb Keimstellenradius effektive Porengröße. Porengröße reduziert Druck Flüssigphase notwendige Überhitzung Fluidtemperatur. Radius potenzieller Keimstellen ohne Ergebnisse bekannt Grundlage Literatur 0,1 µm angenommen Wärmeleitfähigkeit λKap,eff (Gl. 11), Verdampfers lV, ri bestimmt. Quotient einzelnen RWR N. Summe Einzelwiderstände Rohrwand RW RKap Kondensatorzone. Außen- (da) (di) 4), lj λw Rohrwand. Porosität ε λl Wand Annahme eindimensionaler vollständiger Sättigung Kapillarstruktur. Rges Gl. 7) charakterisiert. geringer konstanten übertragenen ΔT Oberflächentemperatur kühlenden Bauteils minimieren. homogenisiert Ausdehnungen struktureller Bauteile angeglichen. Einflussparameter während Zunächst treibenden 5 dargestellt. Es Bereiche identifiziert, anhand Steigung Geraden Punkten unterschieden Bei niedrigen Wärmeströmen linear an, alle 50, Rth = 0,03 W−1 charakteristisch. Kupferstab höheren 1,59 W−1, weist auf. Ein kritischer markiert Übergang zweiten Bereich. signifikant nimmt zu. Diese kritische bezeichnet 4 TK. führt Austrocknen Verdampferzone, verdampfende höher Kondensatmassenstrom Grund begrenzten Siedegrenze. 6 diese Grenzen TH entspricht näherungsweise Wärmerohrs. Bis 90 dominiert limitierender Faktor abnehmender Viskosität. maximale Leistung 350 W. regressiven Verlauf geringe begünstigt niedrigeren notwendigen ΔTkrit 4). analog Änderung Ausgleichsgeraden Messreihe bestimmt (Pfeile). Kapillarkraftgrenze, unter- oberhalb liegt. gedachte Verbindungslinie verschoben. Zum Abschluss untersucht 7). min−1 ersichtlich, Unterschied Wärmeströmen, Überschreiten Leistungsgrenze, geringfügig Stillstand, d. h. min−1, befindet tiefsten Punkt (270°, vgl. unterhalb horizontal ausgerichteten Wärmerohre. 0,01 erhöht, nahezu gleich. Erhöhung Wärmewiderstands Stillstand fehlende Impulse begründen. wirkende Kraftvektor ändert periodisch Betrag wodurch zusätzliche Bewegungen erfährt. bessere Benetzung Rohrinnenwand höhere Turbulenz Temperaturgrenzschichten Folge. Hierdurch Wärmeübergang Rotation. analysiert worden. Zur Demonstration Funktionsfähigkeit horizontalen 1250 aufgebaut. 7,2 vertikalen Ebene periodische Änderungen wirkenden hervorgerufen. Wärmetransportverhalten erfasst. An Temperatursensor platziert. zu- ergibt temperaturunabhängigen Distanz Wärmerohrsystems. bestimmte Bereich 400 550 nachgewiesen temperaturabhängig. Gesamtsystems, lediglich (n Wärmwiderstands 0,04 zukünftigen sollte „Feldtest“ Auswirkung verbesserten Wirkungsgrad hohen Leistungen direkt hohe Flexibilität ermöglicht zudem Ausweitung Einsatzgebiets andere Arbeitsmaschine. Potenziale Effizienzsteigerungen diversen industriellen Anlagen sollten Verbesserung beim mehrphasigen Transportsystemen gehoben Berechnungsmethode ungenau Oberflächenanalysen verbessert Des Weiteren systematische Verdampfung Heizflächen notwendig, Beginn Blasensiedens Onset Nucleate Boiling quantifizieren. Autoren bedanken Bundesministerium Wirtschaft Klimaschutz Förderung (FKz 0324326B). Open Access Veröffentlichung organisiert Projekt DEAL. isobare Wärmekapazität spezifische Enthalpie elektrische Volumenstrom Benetzungswinkel kinematische Dichte außen Blase effektiv innen Kondensator(-zone) kapillar kritisch flüssig Verdampfung/Dampf Verdampfer(-zone)