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Heat-Pipe

Eine Heat-Pipe oder ein Wärmerohr ist ein Wärmeübertrager, der unter Nutzung von Verdampfungswärme (latenter Wärme) eines Stoffes eine hohe Wärmestromdichte erlaubt, d. h. auf kleiner Querschnittsfläche können große Mengen Wärme transportiert werden. Eine heat pipe ist im Grunde eine Phasenwechselsonde. In einer heat pipe kann beispielsweise die Verlustleistung eines Mikroprozessors in einem PC oder Notebook effektiv auf kleinsten Bauraum abgeführt werden. Zur Umwälzung des Transportmediums benötigen Wärmerohre keine zusätzliche Hilfsenergie wie z. B. eine Umwälzpumpe, dadurch minimieren sich Wartungsaufwand und Betriebskosten.

Der Wärmewiderstand eines Wärmerohrs ist deutlicher kleiner als der von Metallen. Das Verhalten der Wärmerohre kommt daher der isothermen Zustandsänderung gleich (konstante Temperatur über die Länge des Wärmerohrs). Bei gleicher Übertragungsleistung sind sie deswegen wesentlich leichter als herkömmliche Wärmetauscher unter gleichen Einsatzbedingungen. Durch geschickte Wahl des Arbeitsmediums des Wärmerohrs können Einsatztemperaturen von wenigen Kelvin bis ca. 3000 Kelvin erzielt werden. Es wird zwischen zwei Arten von Wärmerohren unterschieden: Heatpipe und Zwei-Phasen-Thermosiphon. Die Funktionsweise und Auslegung sind dabei grundsätzlich ähnlich oder gleich. Deswegen werden die Wörter Heatpipe (eng. heat pipe) und Wärmerohr oft als Synonym verwendet, was technisch aber grundsätzlich nicht richtig sein muss.

Anwendung in der Geothermie

In der Geothermie können Heat Pipes etwa zur Eisfreihaltung von Straßen, Brücken, Fußballplätzen aber auch Weichen der Eisenbahn eingesetzt werden. Als Arbeitsmittel werden organische Fluide benutz mit geeigneten Siedetemperaturen. Eine Alternative hierzu ist der Einsatz von CO₂ als Arbeitsmedium.

Eigenschaften verschiedener Arbeitsmittel von Phasenwechselsonden:

	Ammonik	Kohlendioxid	Propan
Siedetemperatur (°C) bei Normaldruck (1 bar)	−33	−78	−42
Dichte (10⁻³ kg/m³) bei Siedetemperatur	0,682	1,032	0,58
Dampfdruck (bar) bei 0 °C	4,82	34,91	4,76
Verdampfungsenthalpie (kJ/mol)	21,4	23,2	19,0

Die Siedetemperaturen der möglichen Arbeitsmittel sind stark druckabhängig. Der Druck muss so gewählt werden, dass der Phasenwechsel im gewünschten Temperaturbetreich stattfindet. Bei CO₂-Sonden sind demnach Drücke von 35-55 bar nötig.

In Hochenthalpiereservoiren wird die durch Verdampfung und Kondensation gebildet freie Zirkulation von Dampf/Wasser im Untergrund und der damit verbundene Transport latenter Energie gelegentlich als 'freie heat pipe' bezeichnet.

Siehe auch CO₂-Sonde.

Literatur

Andrew Woods , Kirk Green: THE STABILITY OF A HEAT PIPE TO LIQUID INFLOW/OUTFLOW, Stanford Geothermal Workshop, (2000)

Roman ZORN, Hagen STEGER and Thomas KÖLBEL: De-Icing and Snow Melting System with Innovative Heat Pipe Technology, World Geothermal Congress (2015)

Shunji Kusaba, Hirosi Suzuki, Kazuo Hirowatari, Masataka Mochizuki, Koichi Mashiko, Thang Nguyen and Akbar Akbarzadeh: Extraction of Geothermal Energy and Electric Power Generation Using a Large Scale Heat Pipe, (2000)

W. N. Herkelrath: The "Heat-Pipe" Effect in Vapor-Dominated Geothermal Systems Stanford Geothermal Workshop (1977)

Yuhara, K. and Zhou, P.: Heat Extraction Experiment Using Heat Pipe in Geothermal Field, Japan International Geothermal Symposium (1988)

Hantsch, A., Gross, U.: Numerical investigation of partially-wetted geothermal heat pipe performance. In: Geothermics Nummer () (July 2013), S. 97-103

Schmidt, M., H Rüter: Coal Fire Fighting: Removal of Thermal Energy by Heat Pipes. In: EGU General Assembly Conference Abstracts Nummer 11 (2009), S. 12440

Schmidt, M., S Suhendra, H Rüter: Heat pipes-Suitable for extinguishing underground coal fires?. (2010)

Stober, Ingrid; Kurt Bucher (2020): Geothermie, Springer Spektrum, 3. Auflage. ISBN 978-3-662-60939-2 ISBN 978-3-662-60940-8 (eBook). https://doi.org/10.1007/978-3-662-60940-8.

Weitere Literatur unter Literaturdatenbank und/oder Konferenzdatenbank.