Durchlauferhitzer ... wie kleine Fläche bei 5kW kühlen?

Moin,

Diese Frage hat einen eher theoretischen Hintergrund...

Ein runder Kupferspiegel (d=20mm) wird im Vakuum betrieben und soll als Filter arbeiten, d.h. den gewünschten Spektralbereich reflektieren bzw. den unerwünschten Spektralbereich absorbieren.

Dabei würden bis zu 5kW (~16W/mm^2) im Spiegel bleiben.

Der Spiegel soll mit Wasser gekühlt werden damit die Oberfläche nicht zu heiß wird (ca.

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Ole Jansen
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Ole Jansen schrieb:

Hallo,

man kann ja leicht ausrechenen wieviel Wasserdurchfluß man braucht um 5 kW abzuführen wenn man Wasser mit z.B. 15 °C reinschickt und es mit maximal 90 °C 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 fürs Duschen zu bringen.

Man kann ja direkt hinter dem Spiegel einen genügend grossen Kupferklotz mit Kühlkanälen darin unterbringen, am besten so das der Spiegel und der Klotz aus einem Block gefertigt werden.

Bei Richtwerten für Wärmeaustauscher wird eine Wärmedurchgangszahl in kcal/(m^2*h*grd) von etwa 150 bis 1000 angegeben, eventuell auch 500 bis

1500. Damit könnte man die nötige Austauschfläche abschätzen.

Bei der Kühlung von Raketenbrennkammern und deren Düsenhals geht es wohl um noch deutlich heftigere Belastungen.

Bye

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Uwe Hercksen

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 herkömmlichen WT betrachte nehme ich mal überschlagsmäßig gerechnet bei eine Innenfläche von 2e-4m² an bei 5kJ/s. Da liege mit den Zahlen oben wohl paar Größenordnungen daneben, oder?

Ich glaube die Lebensdauer von Raketentriebwerken reicht hier nicht.

O.J.

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Ole Jansen

X-No-Archive: Yes

begin quoting, Ole Jansen schrieb:

???

Also nicht eine Kugel, sondern ein kreisförmig begrenzter Planspiegel.

Ich würde mal die Härtereitechniker fragen. Die haben nämlich genau diese Probleme zu bearbeiten.

Also rein geraten: Ich würde "ganz viele" Bohrungen von ca. 5 mm Durchmesser als Sechseckmuster parallel anordnen, wobei die sich überschneiden dürfen, also lediglich säulenförmige Stege in Wabenanornung stehenbleiben, und dann in jede eine Hochdruckdüse, vorne hartmetallbestückt, münden lassen, die einen turbulenten Strahl erzeugt, der das eben ausgefräste Bohrlochende anbläst. (Die Düsen sind natürlich seitlich an den Säulen befestigt, um die inneren Kräfte auszugleichen.)

5 kW sind eigentlich noch eine ganz übersichtliche Leistung; der Hochdruckstrahl sollte mit Überschallgeschwindigkeit, also ca. 3 km/s, austreten, damit die Tröpfchen einen sich evtl. bildenen Siedefilm durchschlagen können. Mein Taschenrechner behauptet allerdings, das dafür werden ca. 45 kbar Druck benötigt würden - der muß 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 temperaturbeständiger als der Cu-Block ist und eine höhere Wärmeleitfähigkeit 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 Kühlbohrungen hineinzuschleifen. (Funkenerodieren dürfte nicht funktionieren.)

Plan B wäre eine Heliumkühlung.

Gruß aus Bremen Ralf

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Ralf . K u s m i e r z

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 Wärmeleitfähigkeit von Kupfer wird bei höheren Temperaturen zunehmend schlechter, daher die 500°C. Um die mechanische Stabilität zu gewährleisten muss der Spiegel an der dünnsten Stelle min. 3mm dick sein. Das Profil der Rückseite (z.B. zentraler Kegel, kühllamellen...) wäre ansonsten frei wählbar.

Das Teil sollte schon etwas länger funktionieren. Um Kavitation o.Ä. zu vermeiden und auch aus anderen Gründen soll Dampfbildung in jeglicher Form vermieden werden.

Ich würde mich zunächst gerne auf die Optimierung der Strömungsgeometrie konzentrieren. Ich schätze 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 außen mit Düse in der Mitte der beste Ansatz? Oder koaxial, von außen nach Innen mit Strudel? Oder ist es eine "Bienenwaben" Lösung oder etwas Andere? Oder lässt sich diese Frage gar nicht generell beantworten?

Ich fürchte Wasser oder ggf. Wärmeträgeröl sind die einzig akteptablen Kühlmedien.

Viele Grüße,

O.J.

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Ole Jansen

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

Sehr viel, aber praktikabel ist das nicht. ;-)

Du musst unbedingt die Fläche vergrößern, sonst bekommst Du Filmsieden, und dann ist alles vorbei. Und ich würde mir überlegen, 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/mm² bei Wasserkühlung mit Blasensieden. Auf gut Deutsch, Du solltest aus dem Kupfer erst mal eine sich nach hinten deutlich vergrößernde Fläche mit Rippenoberfläche machen, so dass Du auf etwa 20000 mm² kommst. Achte darauf, dass die Rippen keine der heißen Seite zugewandten, engen Radien haben, sonst gibt es da gleich wieder Filmsieden.

Meine Abschätzung gilt für 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 größere Fläche her. Und radiale Rippen würde ich ohne gescheite Strömungs-Simulation nicht wagen.

Nein. Eher noch schlechter.

Marcel

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Marcel Müller

X-No-Archive: Yes

begin quoting, Marcel Müller schrieb:

Ich war zu faul zum Nachschlagen, aber sowas hatte ich befürchtet.

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 übrigens abgewöhnen, wenn man über den kritischen Druck geht. (Dann wird der Spiegel noch kugelförmiger.)

Dummerweise haben die Rippen aber auch einen Temperaturgradienten...

ACK

Gruß aus Bremen Ralf

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Ralf . K u s m i e r z

Hallo

Das klingt insgesamt nicht so ganz nach dem richtigen Konzept.

Wäre es denn nicht besser an einem dielektrischeschen Filter den einen Teil des Spektrums am Filter zu reflektieren und den anderen hindurchzulassen und denn unerwünschten Teil dann entfernt, wohl am besten außerhalb des Vakuumgefäßes zu absorbieren.

Flo

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Florian Rist

Florian Rist schrieb:

Hallo,

fragt sich nur wie das Filter die Wärme durch die unvermeidlichen Verluste los wird. Das nötige Fenster im Vakuumgefäß sollte dann möglichst wenig unerwünschte Reflektion haben und muß auch die Verlustwärme abgeben können.

Bye

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Uwe Hercksen

Hi

Schon, aber selbst bei 1% Verlust wären das nur 50W. Wenn man jetzt noch die beiden Wellenlängen wüsste könnte man überlegen wie hoch die Verluste wohl wären.

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 außen gekühlt werden. Alles viel einfacher als die 5kW im Vakuumgefäß weg zu bekommen.

Flo

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Florian Rist

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?

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Bodo Mysliwietz

Hallo,

Am 05.04.2013 18:21, schrieb Bodo Mysliwietz:

ca.9400nm. Ist für das Problem eigentlich nicht relevant ;-)

Quasi Stationär.

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 abzuschätzen ob bzw. wie eine Wasserkühlung unter diesen Bedingungen am besten machbar wäre.

Es gibt Erfahrungen mit kleineren Anlagen. Dort gibt es einen hohlen Finger mit Konus und Düse in der Mitte. Es lässt sich auch so betreiben, dass keine Dampfbildung auftritt. Allerdings wird der Finger in wenigen Wochen von innen ausgewaschen. (da vo die "

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Ole Jansen

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