Durchlauferhitzer ... wie kleine Fl√§che bei 5kW k√ľhlen?

Moin,
Diese Frage hat einen eher theoretischen Hintergrund...
Ein runder Kupferspiegel (d mm) wird im Vakuum betrieben und soll
als Filter arbeiten, d.h. den gew√ľnschten Spektralbereich reflektieren bzw. den unerw√ľnschten Spektralbereich absorbieren.
Dabei w√ľrden bis zu 5kW (~16W/mm^2) im Spiegel bleiben.
Der Spiegel soll mit Wasser gek√ľhlt werden damit die Oberfl√§che nicht zu hei√ü wird (ca. <500¬įC)
- Wei√ü jemand wo ich nachlesen kann wie am besten so eine K√ľhlung ausgelegt werden kann bzw. was "best Practice" ist? Wie viel Leistung kann theoretisch maximal pro mm^2 weg gek√ľhlt werden?
- Wie bek√§me ich genug K√ľhlwasser mit ausreichend turbulenter Str√∂mung durch so ein kleines Bauteil, ohne da√ü ich es durch Kavitation zerst√∂re oder Filmverdampfung riskiere? K√∂nnte dies auch funktionieren, wenn lediglich "Stadtwasser" Druck zur Verf√ľgung st√ľnde?
Erste Idee ist, die Wasser Zu- und Abf√ľhrung koaxial anzuordnen und Wasser gegen die Innenseite der Stirnfl√§che zu spritzen.
Oder Wäre ein "Strudel" von außen nach innen besser?
Vielen Dank,
O.J.
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Am 03.04.2013 10:31, schrieb Ole Jansen:

Eventuell hilft die √úberleung, den Spiegel w√§rmeleitend auf einen geeigneten Wasserk√ľhler (oder einen luftgek√ľhlten K√ľhlk√∂rper) zu montieren?
Gruss Udo
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Ole Jansen schrieb:

Hallo,
man kann ja leicht ausrechenen wieviel Wasserdurchflu√ü man braucht um 5 kW abzuf√ľhren wenn man Wasser mit z.B. 15 ¬įC reinschickt und es mit maximal 90 ¬įC wieder rauskommen soll.
Die 5 kW sind eigentlich nicht so viel, in einem relativ kleinen elektrischen Durchlauferhitzer werden bis zu 21 kW umgesetzt um das Wasser von Leitungstemperatur auf angenehme Temperatur f√ľrs Duschen zu bringen.
Man kann ja direkt hinter dem Spiegel einen gen√ľgend grossen Kupferklotz mit K√ľhlkan√§len darin unterbringen, am besten so das der Spiegel und der Klotz aus einem Block gefertigt werden.
Bei Richtwerten f√ľr W√§rmeaustauscher wird eine W√§rmedurchgangszahl in kcal/(m^2*h*grd) von etwa 150 bis 1000 angegeben, eventuell auch 500 bis 1500. Damit k√∂nnte man die n√∂tige Austauschfl√§che absch√§tzen.
Bei der K√ľhlung von Raketenbrennkammern und deren D√ľsenhals geht es wohl um noch deutlich heftigere Belastungen.
Bye
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Moin Moin,
Am 03.04.2013 12:35, schrieb Uwe Hercksen:

Ja, so hatte ich das auch gedacht. Nur wie am besten die Kanäle anordnen? Um da Wasser mit 4 l/min durch zu bekommen gibt es nicht so viele Möglichkeiten.

Wenn ich das Ding als herk√∂mmlichen WT betrachte nehme ich mal √ľberschlagsm√§√üig gerechnet bei eine Innenfl√§che von 2e-4m¬≤ an bei 5kJ/s. Da liege mit den Zahlen oben wohl paar Gr√∂√üenordnungen daneben, oder?

Ich glaube die Lebensdauer von Raketentriebwerken reicht hier nicht.
O.J.
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begin quoting, Ole Jansen schrieb:

???

Also nicht eine Kugel, sondern ein kreisförmig begrenzter Planspiegel.

Wie hoch wird denn der Temperaturgradient an der Oberfläche? Und wie plan ist der Spiegel dann noch?

Ich w√ľrde mal die H√§rtereitechniker fragen. Die haben n√§mlich genau diese Probleme zu bearbeiten.

Also rein geraten: Ich w√ľrde "ganz viele" Bohrungen von ca. 5 mm Durchmesser als Sechseckmuster parallel anordnen, wobei die sich √ľberschneiden d√ľrfen, also lediglich s√§ulenf√∂rmige Stege in Wabenanornung stehenbleiben, und dann in jede eine Hochdruckd√ľse, vorne hartmetallbest√ľckt, m√ľnden lassen, die einen turbulenten Strahl erzeugt, der das eben ausgefr√§ste Bohrlochende anbl√§st. (Die D√ľsen sind nat√ľrlich seitlich an den S√§ulen befestigt, um die inneren Kr√§fte auszugleichen.)
5 kW sind eigentlich noch eine ganz √ľbersichtliche Leistung; der Hochdruckstrahl sollte mit √úberschallgeschwindigkeit, also ca. 3 km/s, austreten, damit die Tr√∂pfchen einen sich evtl. bildenen Siedefilm durchschlagen k√∂nnen. Mein Taschenrechner behauptet allerdings, das daf√ľr werden ca. 45 kbar Druck ben√∂tigt w√ľrden - der mu√ü sich irren.
Siedefilm wegspritzen geht also nicht, also bleibt nur aureichende Tangentialgeschwindigkeit des strömenden Mediums und hoffen, daß es reicht. Wird vermutlich schwierig - es gibt immer Staupunkte.
Du mußt also eine turbulente Strömung simulieren (viel Spaß, theoretisch ungelöstes Problem) und die verbleibende Kupferschicht so dick machen, daß deren thermische Relaxationszeit größer als die Lebensdauer der Staupunkte der turbulenten Strömung ist.
Also willst Du gar keinen Cu-Spiegel nehmen, sondern einen Ag-Spiegel galvanisch verkupfern (oder doch lieber hartbernickeln?), weil der temperaturbest√§ndiger als der Cu-Block ist und eine h√∂here W√§rmeleitf√§higkeit hat. Und wenn das immer noch nicht reicht, dann wird das Substrat halt ein Rubin-Substrat, also ein Al2O3-Kristall. Das macht auch viel mehr Freude, den zu bearbeiten und die K√ľhlbohrungen hineinzuschleifen. (Funkenerodieren d√ľrfte nicht funktionieren.)
Plan B w√§re eine Heliumk√ľhlung.
Gruß aus Bremen Ralf
--
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Am 03.04.2013 20:03, schrieb Ralf . K u s m i e r z:

Es sind zunächst lediglich Überlegungen zur Machbarkeit.

Ja.

Also folgende Randbedingungen: Die W√§rmeleitf√§higkeit von Kupfer wird bei h√∂heren Temperaturen zunehmend schlechter, daher die 500¬įC. Um die mechanische Stabilit√§t zu gew√§hrleisten muss der Spiegel an der d√ľnnsten Stelle min. 3mm dick sein. Das Profil der R√ľckseite (z.B. zentraler Kegel, k√ľhllamellen...) w√§re ansonsten frei w√§hlbar.
Das Teil sollte schon etwas l√§nger funktionieren. Um Kavitation o.√Ą. zu vermeiden und auch aus anderen Gr√ľnden soll Dampfbildung in jeglicher Form vermieden werden.
Ich w√ľrde mich zun√§chst gerne auf die Optimierung der Str√∂mungsgeometrie konzentrieren. Ich sch√§tze den erfolderlichen Durchfluss auf ca. 3.5-4 l/min. Ich formuliere die Frage daher noch einmal etwas anders:
- Welche Geometrie wäre optimal um möglichst viel Wasser bei möglichst geringem dP entlang der flachen Stirnfläche eines "Fingers" zu pumpen und wie wäre der Bereich dort optimalerweise zu gestalten um eine gleichmäßige, turbulente, aber nicht kavitierende Strömung hinter einer möglichst großen Fläche des Spiegels zu gewährleisten?
Ist koaxial, von innen nach au√üen mit D√ľse in der Mitte der beste Ansatz? Oder koaxial, von au√üen nach Innen mit Strudel? Oder ist es eine "Bienenwaben" L√∂sung oder etwas Andere? Oder l√§sst sich diese Frage gar nicht generell beantworten?

Ich f√ľrchte Wasser oder ggf. W√§rmetr√§ger√∂l sind die einzig akteptablen K√ľhlmedien.
Viele Gr√ľ√üe,
O.J.
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Hallo!
On 03.04.2013 10:31, Ole Jansen wrote:

Jawoll-ja! Das ist ein Vielfaches der Flächenleistungsdichte von Brennstäben in einem Atomkraftwerk.

Das wird spannend. Du verlierst alleine durch die Wärmeleitung um die 40K pro Millimeter Material.

Sehr viel, aber praktikabel ist das nicht. ;-)
Du musst unbedingt die Fl√§che vergr√∂√üern, sonst bekommst Du Filmsieden, und dann ist alles vorbei. Und ich w√ľrde mir √ľberlegen, doch Kavitation zu erlauben. Damit bekommst Du wesentlich mehr Leistung weg. Die Pumpe muss halt ordentlich Druck machen. Aber die Verdampfungsenthalpie ist im Gegenzug nicht zu verachten.
Technisch praktikabel und sicher sind laut Wikipedia so um die 0,3W/mm¬≤ bei Wasserk√ľhlung mit Blasensieden. Auf gut Deutsch, Du solltest aus dem Kupfer erst mal eine sich nach hinten deutlich vergr√∂√üernde Fl√§che mit Rippenoberfl√§che machen, so dass Du auf etwa 20000 mm¬≤ kommst. Achte darauf, dass die Rippen keine der hei√üen Seite zugewandten, engen Radien haben, sonst gibt es da gleich wieder Filmsieden.

Meine Absch√§tzung gilt f√ľr Normaldruck. Mit Druck kannst Du AFAIK noch mal einen Faktor 2 holen. Aber 3 Bar sind da nur Peanuts.

Vergiss es. Erst mal muss eine gr√∂√üere Fl√§che her. Und radiale Rippen w√ľrde ich ohne gescheite Str√∂mungs-Simulation nicht wagen.

Nein. Eher noch schlechter.
Marcel
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begin quoting, Marcel M√ľller schrieb:

Ich war zu faul zum Nachschlagen, aber sowas hatte ich bef√ľrchtet.
Und was ist nun das Problem dabei?
Ganz einfach: Es geht mit heftigen inneren Spannungen und resultierenden Verformungen einher - nix mehr Plan-, doch Kugelspiegel.

Nicht, wenn man die Siedeschicht mit Überschall durchschießt ;-)

Das Sieden kann man dem Wasser √ľbrigens abgew√∂hnen, wenn man √ľber den kritischen Druck geht. (Dann wird der Spiegel noch kugelf√∂rmiger.)

Dummerweise haben die Rippen aber auch einen Temperaturgradienten...

ACK
Gruß aus Bremen Ralf
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Hallo

Das klingt insgesamt nicht so ganz nach dem richtigen Konzept.
W√§re es denn nicht besser an einem dielektrischeschen Filter den einen Teil des Spektrums am Filter zu reflektieren und den anderen hindurchzulassen und denn unerw√ľnschten Teil dann entfernt, wohl am besten au√üerhalb des Vakuumgef√§√ües zu absorbieren.
Flo
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Florian Rist schrieb:

Hallo,
fragt sich nur wie das Filter die W√§rme durch die unvermeidlichen Verluste los wird. Das n√∂tige Fenster im Vakuumgef√§√ü sollte dann m√∂glichst wenig unerw√ľnschte Reflektion haben und mu√ü auch die Verlustw√§rme abgeben k√∂nnen.
Bye
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Hi

Schon, aber selbst bei 1% Verlust w√§ren das nur 50W. Wenn man jetzt noch die beiden Wellenl√§ngen w√ľsste k√∂nnte man √ľberlegen wie hoch die Verluste wohl w√§ren.

Sollte machbar sein, die Reflexion kann man ja kontrollieren und wieder absorbieren, das sind dann nur ein paar Watt und der Verlust im Fenster kann leicht von au√üen gek√ľhlt werden. Alles viel einfacher als die 5kW im Vakuumgef√§√ü weg zu bekommen.
Flo
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Am 03.04.2013 10:31, schrieb Ole Jansen:

Nachdem ich das Thema auch schon verfolgt habe realisiere ich jetzt erst das oben mm und nicht cm steht.

von welchem emitierten und absorbierten Spektralbereich reden wir denn?

...dauerhaft oder reden wir von Impulsen?

Was ist mit Strahlteilern und Refokussierung nach Filterung?
Kann der Spektralbereich nur im Vakuum erzeugt und weitergeleitet werden?
--
Gl√ľck Auf - Bodo Mysliwietz
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Hallo,
Am 05.04.2013 18:21, schrieb Bodo Mysliwietz:

ca.9400nm. Ist f√ľr das Problem eigentlich nicht relevant ;-)

Quasi Stationär.

Besser gesagt: Die Temperatur soll konstant gehalten werden.

Das Experiment soll im Vakuum statt finden. Um weiteren Fragen vorzubeugen: Es geht in erster Linie um die Machbarkeitsplanung eines Experimentes zur Untersuchung der Wechselwirkung von Licht mit verschiedenen Schichten auf der Oberfläche des Finges. Was ganz genau dahinter steckt weiß ich nicht.
Ich wurde lediglich gebeten abzusch√§tzen ob bzw. wie eine Wasserk√ľhlung unter diesen Bedingungen am besten machbar w√§re.
Es gibt Erfahrungen mit kleineren Anlagen. Dort gibt es einen hohlen Finger mit Konus und D√ľse in der Mitte. Es l√§sst sich auch so betreiben, dass keine Dampfbildung auftritt. Allerdings wird der Finger in wenigen Wochen von innen ausgewaschen. (da vo die "<" sind)
____________ | __ __ | | | \ / | | | < \/ > | | < | | > | | | |^^| | |
Lässt sich die Geometrie eventuell noch verbessern?
O.J.
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On 08 Apr 13 at group /de/sci/ing/misc in article snipped-for-privacy@mid.individual.net

Sicher doch, die Ecken innen rund machen SCNR
Was ist, wenn man die kritischen Zonen panzert, zB. Hartverchromt oder ein Titanrohr einschiebt?
Oder die Kupferfrontplatte in ein hartes Rohr einsetzt?
Saludos (an alle Vern√ľnftigen, Rest sh. sig) Wolfgang
--
Wolfgang Allinger, anerkannter Trollallergiker :) reply Adresse gesetzt!
Ich diskutiere zuk√ľnftig weniger mit Idioten, denn sie ziehen mich auf
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