ISBN 978-3-8439-5580-5

978-3-8439-5580-5, Reihe Thermodynamik

Hendrik Margraf
Einfluss der Kapillarstruktur auf die Verdampfung in Wärmerohren

175 Seiten, Dissertation Universität Kassel (2024), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Der zweiphasige Wärmeübergang mit Fokus auf dem Energietransport während der Verdampfung in Kapillarstrukturen wird untersucht. Die Untersuchungen erfolgen an konventionellen Wärmerohren und einem Modellsystem, um eine gezielte Parametervariation zu ermöglichen. Zunächst wird der Übergang vom konvektiven Sieden zum Blasensieden analysiert, indem Daten aus der Literatur ausgewertet werden. Die Regressionsanalyse identifiziert Einflussgrößen und eine neue Korrelation zur Berechnung der Überhitzung für den Onset of Nucleate Boiling wird entwickelt und diskutiert.

Experimentelle Untersuchungen an porösen Strukturen und axial gerillten Rohren, die mit Drahtgewebe modifiziert wurden, zeigen Verbesserungen des Wärmeübergangs um den Faktor 5 bis 12. Jedoch führen Wärmestromdichten > 70 kW/m² zur Austrocknung der Heizfläche und somit zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs. Der Wärmeübergang in Abhängigkeit der Wärmestromdichte bzw. Überhitzung verhält sich deutlich anders als glatte oder berippte Strukturen. Im Bereich von 50 W/m² bis 100 kW/m² können vier Abschnitte unterschieden werden. Zwei Abschnitte zwischen 200 W/m² und 70 kW/m² sind dem Blasensieden zuzuordnen, wobei sich eine inverse Abhängigkeit des Wärmeübergangs vom Druck bei niedrigen Wärmestromdichten zeigt. Der Druckeinfluss in den weiteren Abschnitten ist sehr gering.

Zudem ist die Entwicklung und experimentelle Untersuchung eines Wärmerohrsystems zur Kühlung elektrischer Maschinen Inhalt der Arbeit. Es wird eine temperaturabhängige Leistungsgrenze festgestellt, die auf unzureichende Kapillarwirkung und vorzeitige Austrocknung zurückzuführen ist.

Die Arbeit liefert umfangreiche Beiträge zur Optimierung des Wärmeübergangs beim Sieden im Allgemeinen und in Bezug auf Wärmerohre mit poröser Kapillar- oder Rillenstruktur. Die Erkenntnisse ermöglichen eine präzisere Auslegung von Wärmerohren und tragen zur Entwicklung effizienter Kühlsysteme bei, die in technischen Anwendungen unverzichtbar sind.