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

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Ole Jansen

unread,
Apr 3, 2013, 4:31:59 AM4/3/13
to
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 gewᅵnschten Spektralbereich reflektieren
bzw. den unerwᅵnschten Spektralbereich absorbieren.

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

Der Spiegel soll mit Wasser gekᅵhlt werden damit die Oberflᅵche nicht
zu heiᅵ wird (ca. <500ᅵC)

- Weiᅵ jemand wo ich nachlesen kann wie am besten
so eine Kᅵhlung ausgelegt werden kann bzw.
was "best Practice" ist? Wie viel Leistung kann
theoretisch maximal pro mm^2 weg gekᅵhlt werden?

- Wie bekᅵme ich genug Kᅵhlwasser mit ausreichend turbulenter
Strᅵmung durch so ein kleines Bauteil, ohne daᅵ ich es durch
Kavitation zerstᅵre oder Filmverdampfung riskiere?
Kᅵnnte dies auch funktionieren, wenn lediglich "Stadtwasser"
Druck zur Verfᅵgung stᅵnde?

Erste Idee ist, die Wasser Zu- und Abfᅵhrung koaxial
anzuordnen und Wasser gegen die Innenseite der Stirnflᅵche zu
spritzen.

Oder Wᅵre ein "Strudel" von auᅵen nach innen besser?

Vielen Dank,

O.J.



Newdo

unread,
Apr 3, 2013, 6:03:06 AM4/3/13
to
Am 03.04.2013 10:31, schrieb Ole Jansen:
>
> Der Spiegel soll mit Wasser gekühlt werden damit die Oberfläche nicht
> zu heiß wird (ca. <500°C)

Eventuell hilft die Überleung, den Spiegel wärmeleitend auf einen
geeigneten Wasserkühler (oder einen luftgekühlten Kühlkörper) zu montieren?

Gruss Udo

Uwe Hercksen

unread,
Apr 3, 2013, 6:35:20 AM4/3/13
to


Ole Jansen schrieb:

> 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. <500°C)
>
> - Weiß jemand wo ich nachlesen kann wie am besten
> so eine Kühlung ausgelegt werden kann bzw.
> was "best Practice" ist? Wie viel Leistung kann
> theoretisch maximal pro mm^2 weg gekühlt werden?
>
> - Wie bekäme ich genug Kühlwasser mit ausreichend turbulenter
> Strömung durch so ein kleines Bauteil, ohne daß ich es durch
> Kavitation zerstöre oder Filmverdampfung riskiere?
> Könnte dies auch funktionieren, wenn lediglich "Stadtwasser"
> Druck zur Verfügung stünde?

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

Ole Jansen

unread,
Apr 3, 2013, 6:49:33 AM4/3/13
to
Moin Moin,

Am 03.04.2013 12:35, schrieb Uwe Hercksen:


>
> 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.

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.

>
> 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.

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?

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

Ich glaube die Lebensdauer von Raketentriebwerken reicht hier nicht.

O.J.
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Ole Jansen

unread,
Apr 4, 2013, 4:53:16 AM4/4/13
to
Am 03.04.2013 20:03, schrieb Ralf . K u s m i e r z:
> X-No-Archive: Yes
>
> begin quoting, Ole Jansen schrieb:
>
>> Diese Frage hat einen eher theoretischen Hintergrund...
>
> ???

Es sind zunächst lediglich Überlegungen zur Machbarkeit.

>
>> Ein runder Kupferspiegel (d=20mm)
>
> Also nicht eine Kugel, sondern ein kreisförmig begrenzter Planspiegel.

Ja.

>
>> 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. <500°C)
>
> Wie hoch wird denn der Temperaturgradient an der Oberfläche? Und wie
> plan ist der Spiegel dann noch?

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?

>
> Plan B wäre eine Heliumkühlung.

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

Viele Grüße,

O.J.

Marcel Müller

unread,
Apr 4, 2013, 8:38:02 AM4/4/13
to
Hallo!

On 03.04.2013 10:31, Ole Jansen wrote:
> 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.

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

> Der Spiegel soll mit Wasser gekühlt werden damit die Oberfläche nicht
> zu heiß wird (ca. <500°C)

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

> - Weiß jemand wo ich nachlesen kann wie am besten
> so eine Kühlung ausgelegt werden kann bzw.
> was "best Practice" ist? Wie viel Leistung kann
> theoretisch maximal pro mm^2 weg gekühlt werden?

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.

> - Wie bekäme ich genug Kühlwasser mit ausreichend turbulenter
> Strömung durch so ein kleines Bauteil, ohne daß ich es durch
> Kavitation zerstöre oder Filmverdampfung riskiere?
> Könnte dies auch funktionieren, wenn lediglich "Stadtwasser"
> Druck zur Verfügung stünde?

Meine Abschätzung gilt für Normaldruck. Mit Druck kannst Du AFAIK noch
mal einen Faktor 2 holen. Aber 3 Bar sind da nur Peanuts.

> Erste Idee ist, die Wasser Zu- und Abführung koaxial
> anzuordnen und Wasser gegen die Innenseite der Stirnfläche zu
> spritzen.

Vergiss es. Erst mal muss eine größere Fläche her. Und radiale Rippen
würde ich ohne gescheite Strömungs-Simulation nicht wagen.

> Oder Wäre ein "Strudel" von außen nach innen besser?

Nein. Eher noch schlechter.


Marcel
Message has been deleted

Florian Rist

unread,
Apr 5, 2013, 3:46:41 AM4/5/13
to
Hallo

> 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.

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

Uwe Hercksen

unread,
Apr 5, 2013, 4:34:05 AM4/5/13
to


Florian Rist schrieb:

> 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.

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

Florian Rist

unread,
Apr 5, 2013, 6:14:53 AM4/5/13
to
Hi

> fragt sich nur wie das Filter die Wärme durch die unvermeidlichen
> Verluste los wird.

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.

> Das nötige Fenster im Vakuumgefäß sollte dann möglichst wenig
> unerwünschte Reflektion haben und muß auch die Verlustwärme
> abgeben können.

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

Bodo Mysliwietz

unread,
Apr 5, 2013, 12:21:52 PM4/5/13
to
Am 03.04.2013 10:31, schrieb Ole Jansen:
> Moin,
>
> Diese Frage hat einen eher theoretischen Hintergrund...
>
> Ein runder Kupferspiegel (d=20mm) wird im Vakuum betrieben

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

> und soll
> als Filter arbeiten, d.h. den gewünschten Spektralbereich reflektieren
> bzw. den unerwünschten Spektralbereich absorbieren.

von welchem emitierten und absorbierten Spektralbereich reden wir denn?

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

...dauerhaft oder reden wir von Impulsen?

> Der Spiegel soll mit Wasser gekühlt werden damit die Oberfläche nicht
> zu heiß wird (ca. <500°C)

Was ist mit Strahlteilern und Refokussierung nach Filterung?

Kann der Spektralbereich nur im Vakuum erzeugt und weitergeleitet werden?

--
Glück Auf - Bodo Mysliwietz
----------------------------------------
http://www.labortechniker.de/

Ole Jansen

unread,
Apr 8, 2013, 2:10:57 AM4/8/13
to
Hallo,

Am 05.04.2013 18:21, schrieb Bodo Mysliwietz:

>
> Nachdem ich das Thema auch schon verfolgt habe realisiere ich jetzt erst
> das oben mm und nicht cm steht.
>
>> und soll
>> als Filter arbeiten, d.h. den gewᅵnschten Spektralbereich reflektieren
>> bzw. den unerwᅵnschten Spektralbereich absorbieren.
>
> von welchem emitierten und absorbierten Spektralbereich reden wir denn?

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

>
>> Dabei wᅵrden bis zu 5kW (~16W/mm^2) im Spiegel bleiben.
>
> ...dauerhaft oder reden wir von Impulsen?

Quasi Stationᅵr.

>
>> Der Spiegel soll mit Wasser gekᅵhlt werden damit die Oberflᅵche nicht
>> zu heiᅵ wird (ca. <500ᅵC)

Besser gesagt: Die Temperatur soll konstant gehalten werden.

>
> Was ist mit Strahlteilern und Refokussierung nach Filterung?
>
> Kann der Spektralbereich nur im Vakuum erzeugt und weitergeleitet 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 Oberflᅵche des Finges. Was ganz genau
dahinter steckt weiᅵ ich nicht.

Ich wurde lediglich gebeten abzuschᅵtzen ob bzw. wie eine Wasserkᅵhlung
unter diesen Bedingungen am besten machbar wᅵre.

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

____________
| __ __ |
| | \ / | |
| < \/ > |
| < | | > |
| | |^^| | |


Lᅵsst sich die Geometrie eventuell noch verbessern?

O.J.





Wolfgang Allinger

unread,
Apr 8, 2013, 6:35:00 AM4/8/13
to

On 08 Apr 13 at group /de/sci/ing/misc in article asf5bi...@mid.individual.net
<remove.this.K...@gmx.de> (Ole Jansen) wrote:


>Es gibt Erfahrungen mit kleineren Anlagen. Dort gibt es einen
>hohlen Finger mit Konus und D�se 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)
>
> ____________
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>
>L�sst sich die Geometrie eventuell noch verbessern?


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�nftigen, Rest sh. sig)
Wolfgang

--
Wolfgang Allinger, anerkannter Trollallergiker :) reply Adresse gesetzt!
Ich diskutiere zuk�nftig weniger mit Idioten, denn sie ziehen mich auf
ihr Niveau herunter und schlagen mich dort mit ihrer Erfahrung! :p
(lt. alter usenet Weisheit) iPod, iPhone, iPad, iTunes, iRak, iDiot
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