„Siedekühlung“ – Versionsunterschied

Siedekühlung ist im Vergleich mit den konkurrierenden Methoden Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung die wirkungsvollste Möglichkeit, einem System oder Gegenstand Wärme bzw. thermische Energie zu entziehen.

Prinzip

Siedegekühlte Senderöhre

Ein gut wärmeleitendes Metall wie Kupfer erhält eine große Anzahl paralleler, vertikaler Bohrungen, in die von unten eine Kühlflüssigkeit, meist Wasser, gepumpt wird. Diese verdampft an der heißen Oberfläche und benötigt dazu sehr viel Wärmeenergie, was wiederum für sehr effektive Kühlung des Metalls sorgt. Der Dampf wird abgesaugt und an anderer Stelle durch einen Luftkondensator geleitet, wodurch er unter Wärmeabgabe wieder kondensiert.

Bohrungen besitzen gegenüber glatten Flächen den Vorteil, dass die aufsteigenden Dampfblasen eine stärkere Turbulente Strömung erzeugen und so das Filmsieden mit zu geringem Wärmeübergang vom Metall zur Flüssigkeit unterbinden.

Der große Vorteil der Siedekühlung gegenüber anderen Kühlverfahren ist die sehr große Leistungsdichte und auch der der Schutz vor Überhitzung, solange Kühlflüssigkeit nachgepumpt wird. Es lassen sich mit Wasser Wärmestromdichten von maximal 300 kW/m² erreichen, ohne die Wärmeübergangsflächen zu beschädigen.

Anwendungen

• Das Wärmerohr benötigt keine Hilfsenergie und arbeitet geräuschlos.
• In Siedewasserreaktoren werden so die Brennstäbe gekühlt.
• Das Prinzip der Siedekühlung wird beim wassergekühlten Kfz-Motor angewendet, um die Temperatur sehr wirksam zu begrenzen.

Verdampfungskühlung für Verbrennungsmotoren

Stationärmotor mit Verdampfungskühlung

Die Verdampfungskühlung ist ein offenes Kühlsystem und fand wegen ihres einfachen Aufbaus ohne Wärmeübertrager (Kühler) und Zirkulationspumpe (Wasserpumpe) in den Anfängen des Motorenbaus Verwendung, und zwar vorwiegend bei einzylindrigen Stationärmotoren, Traktoren und Baumaschinen, allerdings auch vereinzelt bei Flugzeugmotoren.

Zur Funktion: Der Zylinder ist im Motorblock von einem Wassermantel umgeben. Das für diesen Wassermantel erforderliche Kühlwasser (Kühlmedium) wird einfach von oben durch eine Öffnung im Motorblock eingefüllt. Die Einfüllöffnung hat einen Durchmesser von ca. 15 cm und wird nicht verschlossen. Wird nun der Motor gestartet, so bringt die durch den Betrieb des Verbrennungsmotors entstehende Wärme nach einiger Zeit, abhängig von Belastung, Höhe über dem Meeresspiegel und Außentemperatur, das Kühlwasser zum Kochen. Das Kühlwasser beginnt zu verdampfen, ohne dass es zu einem weiteren Temperaturanstieg kommt. Die Motortemperatur beträgt nun 100 °C (auf Meereshöhe). Solange sich ausreichend Wasser im System befindet, kann die Temperatur nicht über diesen Wert steigen. Der sich bildende Wasserdampf entweicht durch die Einfüllöffnung nach oben. Zur Kontrolle des Wasserstandes befindet sich an der Einfüllöffnung ein Schwimmer mit einem Messstab, der nach oben aus dem Motorblock ragt und dadurch den Wasserstand anzeigt.

Der Vorteil des offenen Kühlsystems ist sein einfacher Aufbau, die Nachteile sind der hohe Wasserverbrauch (bei Volllast bis zu mehreren Eimern Wasser pro Tag), und der durch den Wassermantel erforderliche vergleichsweise sehr große Motorblock und das damit verbundene hohe Gewicht.

Die Verdampfungskühlung findet in den westlichen Industrieländern bei Verbrennungsmotoren seit ca. 1950 keine Verwendung mehr, jedoch werden in China, Indien usw. auch heute noch Motoren mit Verdampfungskühlung hergestellt, da durch den einfachen Aufbau (ohne Wasserpumpe, Schläuche, Kühler und Thermostat) die Herstellung und eventuelle Reparaturen sehr einfach sind.

Leistungsvergleich

Die folgende Tabelle zeigt am Beispiel von Senderöhren für verschiedene Kühlungsarten den Aufbau der Anode und die maximale spezifische Belastbarkeit.

Kühlungsart	Anodenart	max. spezifische Belastbarkeit
Strahlung	Graphit, Molybdän	10 W / cm²
Druckluft	Außenanode aus Cu mit Kühlrippen	50 W / cm²
Wasser- oder Ölkühlung	Außenanode aus Cu, von Kühlflüssigkeit umströmt	100 W / cm²
Siedekühlung	Außenanode aus Cu, Wasser wird verdampft	500 W / cm²

Die mit Abstand größte Belastbarkeit ergibt sich bei der Siedekühlung. Hierbei wird sehr viel Energie beim Verdampfen des flüssigen Kühlmediums ausgenutzt, um auf diese Weise eine hohe Leistungsdichte an das Kühlmittel (meistens Wasser) abgeben zu können.

Weblinks

• Bestimmung des Blasenverhaltens beim unterkühlten Strömungssieden mit der digitalen Bildfolgenanalyse