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.
Heat-pipes benötigen keine Pumpe, um das Arbeitsmittel zu zirkulieren. Die Zirkulation wird gravitativ angetrieben, da die gasförmige Phase des Arbeitsmittels eine deutlich geringe Dichte hat als die flüssige Phase. Dadurch sinkt die flüssige Phase im Rohr nach unten und die gasförmige steigt auf. Die Zirkulationsrate wird durch Ventile geregelt.
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.
Bekannt geworden sind die heatpipes entlang der Alaska pipeline und entlang der 1.142 Kilometer langen Eisanbahne Neubaustrecke zwischen Golmud und Lhasa in China zur Verhinderungs des Auftauens von Pemafrost.
Gesamtzahl: Es wird geschätzt, dass über die gesamte Strecke verteilt mehrere zehntausend Heatpipes installiert wurden. In der intensivsten Bauphase und in Berichten zur Fertigstellung war oft von etwa 15.000 bis 20.000 Einheiten allein in den extremsten Permafrost-Zonen die Rede.
Konzentration: Die Rohre sind nicht gleichmäßig verteilt. Sie befinden sich primär auf den rund 550 Kilometern, die dauerhaft über Permafrostboden führen. Besonders dicht stehen sie an Böschungen und Dämmen, wo die Sonneneinstrahlung den Boden am stärksten erwärmen würde.
Heute (2025) sind heat-pipes bis zu einigen tausend Metern Tiefe realisiert. Sie gehören zu den geschlossenen Systhemen. Bei den hohen Temperaturen in größerer Tiefe kommt auch Wasser als Arbeistmittel in Frage. Dennoch wird auch von Ammoniak als Arbeitsmittel berichtet. Da die heat-pipes ohne Pumpen auskommen und die Arbeitsmittelzirkulation nur gravitativ angetrieben ist werden diese Sonden auch SLGHP (super-long gravity heat pipe) genannt. Sie sind eine ernstzunehmende Alternative zu anderen geschlossenen Systhemen.Man bezeichnet diese dort als Super-Long Gravity Heat Pipes (SLGHP). China ist weltweit führend in der Erforschung und dem Einsatz dieser Technologie zur Gewinnung von Erdwärme aus großen Tiefen.
Aktuelle Rekorde und Projekte
Der Weltrekord (Xiongan New Area): In der Nähe von Peking wurde ein System mit einer Heat Pipe installiert, die 4.149 Meter tief in das Erdreich reicht. Dies ist die längste bisher dokumentierte Heat Pipe der Welt.
Taiyuan-Projekt: Hier wurden zwei Heat Pipes mit Längen von 2.020 Metern und 2.180 Metern in unmittelbarer Nähe zueinander installiert, um ein Wohngebiet mit Wärme zu versorgen.
Tangshan-Test: Bereits zwischen 2019 und 2020 wurden erfolgreiche Tests mit einer kilometerlangen Heat Pipe durchgeführt.
Technische Herausforderungen bei Kilometern an Länge
Bei Rohren, die mehrere tausend Meter lang sind, tritt ein Problem auf: Der nach unten fließende Flüssigkeitsfilm kann durch den aufsteigenden Dampf mitgerissen werden (das sogenannte „Entrainment-Limit“).
Chinesische Innovation: Um dies zu verhindern, haben chinesische Forscher spezielle „Leiter-Strukturen“ (Stepped Ladders) im Inneren der Rohre entwickelt. Diese leiten das Kondensat schrittweise nach unten und schützen es vor dem schnellen Dampfstrom, was den Wärmetransport über diese enormen Distanzen erst ermöglicht.
Arbeitsmedien (SLGP)
Wie in oben erwähnt, wird bei diesen tiefen Sonden in China überwiegend Ammoniak verwendet, da die Temperaturen in mehreren tausend Metern Tiefe (oft zwischen 60 °C und über 100 °C) ideal für den Siedepunkt und die hohe Transportkapazität von Ammoniak sind.
| 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.
https://de.wikipedia.org/wiki/Wärmerohr
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Weitere Literatur siehe:
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