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Elektrodendampfheizung mit einem hermetisch geschlossenen
System
Elektrodendampfheizungen, bei welchen zwei oder mehr Elektroden in eine elektrolytische Flüssigkeit eintauchen, welche beim Stromdurchgang durch Joule'sche Wärme erhitzt und zum Teil verdampft wird, wobei der entwickelte Dampf als Wärmeträger dient, sind an sich bekannt.
So ist z. B. eine Ausführung (österr. Patentschrift Nr. 137522) mit einem Aufnahmegefäss für die zeitweise Aufnahme der Elektrolytflüssigkeit bekannt. Bei dieser Ausführung muss, damit sie ihre Aufgabe erfüllen kann, der freie Raum im Aufnahmegefäss mindestens gleich dem aktiven Elektrolytvolumen sein.
Da dieser Raum in der Ausgangslage mit Luft vom Druck der freien Atmosphäre erfüllt ist, bewirkt jede Steigerung des Druckes im Dampfraum eine Verschiebung von Elektrolytflüssigkeit aus der Elektrodenkammer in das Aufnahmegefäss bis zum Druckgleichwert. Die Druckerhöhung bewirkt somit eine Minderung an aktivem Elektrolytvolumen. Durch Betätigen eines Druckregelventils kann die Drucksteigerung begrenzt werden. Die hiebei aus dem Aufnahmegefäss abströmende Luft hat sich aber mit Dampf der Elektrolytflüssigkeit gesättigt und jede Betätigung des Druckregelventils zum Zweck der Druckbegrenzung führt deshalb zwangsläufig zu einem Verlust an Elektrolytflüssigkeit. Dieser folgt eine Leistungseinbusse und ein erhöhter Verschleiss an Elektroden, bewirkt durch die Steigerung der Konzentration der Elektrolytflüssigkeit.
Steigt bei einer Elektrodendampfheizung dieser Bauart, welche z. B. zur Beheizung eines Kochgefässes verwendet wird, die Temperatur des Kochgutes im Kochgefäss, so bewirkt dies einen Anstieg des Dampfdruckes im Dampfraum und eine Verschiebung von Elektrolytflüssigkeit aus dem Elektrodenraum in das Aufnahmegefäss, bis die in diesem letzteren vorhandene Luft auf den im Dampfraum herrschenden Druck komprimiert ist. Da nun weniger Elektrolytvolumen wirksam ist, reduziert sich die Heizleistung und die Kochzeit wird verlängert. Die anfänglich hohe Heizleistung ist nur kurze Zeit voll wirksam und mit steigender Kochguttemperatur fällt sie immer mehr ab. Es ergibt sich ein ungünstiges Verhältnis von installierter Leistung zum tatsächlich wirksamen Mittelwert.
Dies ist besonders dort von Nachteil, wo die Energie nach beanspruchter Leistung und Verbrauch zu bezahlen ist, indem zum Verbrauch noch die Leistungskosten zusätzlich zu bezahlen sind.
Für höhere Werte des Betriebsdruckes sind Ausführungen dieser Art kaum anwendbar, weil die Kom- pressionibilität des im Aufnahmegefäss vorhandenen Luftvolumens keine auch bei steigendem Druck gleichbleibende Leistungsaufnahme des Elektrodenheiisystems zu erreichen erlaubt. Würde bei erhöhtem Druck das Druckausgleichventil betätigt, um einen weiteren Druckanstieg zu verhindern, könnte das dem abgelassenen Luftvolumen entsprechende Volumen an Elektrolytflüssigkeit erst wieder zugeführt werden, nachdem der Druck im System unter den Wert des atmosphärischen Druckes gesunken wäre.
In der normalen Ausgangslage befindetsich bei Elektrodendampfheizungen dieser Art alle Elektrolytflüssigkeit im Elektrodenraum. Liegt dabei als Folge eines vorausgegangenen Kochprozesses die Temperatur nahe dem Siedepunkt, so tritt bei der neuerlichen Einschaltung ein erheblicher Überstrom auf.
Bei einer andern, ebenfalls bekannten Ausführung (Schweizer Patentschrift Nr. 271058) weist das Aufnahmegefäss, in welchem bei reduziertem Betrieb oder im Nichtbetriebszustand die ElektrolytflUssigkeit Aufnahme findet, ebenfalls einen von Luft erfüllen Raum auf. Durch Erhitzen der in diesem Raum enthaltenen Luft wird die Elektrolytflüssigkeit vorübergehend aus dem Aufnahmegefäss in den Elektrodenraum verdrängt. Auch bei Ausführungen dieser Art wird als Folge der Kompressionibilität der Luft mit steigen-
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dem Druck im Dampfraum Elektrolytflüssigkeit aus den. Elektrodenraum in das Aufnahmegefäss zurückgedrängt, bis in dessen Luftraum der gleiche Druck herrscht.
Ausführungen dieser Art weisen also ebenfalls eine starke Abhängigkeit des aktiven Elektrolytvolumens vom Systemdruck auf. Die thermodynamische Gesetzmässigkeit bedingt zudem bereits für niedrige Systemdrücke hohe Lufttemperaturen ; diese Ausführungen sind deshalb für höhere Drücke ungeeignet.
Diese Nachteile werden gemäss der Erfindung bei einer Elektrodendampfheizung mit einem hermetisch geschlossenen System, das aus mindestens einer Elektrodenkammer, einem mit dieser kommunizierenden, geschlossenen und mit einer elektrischen Heizung versehenen Aufnahmebehälter für einen flüssigen Elek-
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dampft wird, dadurch vermieden, dass der Aufnahmebehälter im kalten Zustand ausschliesslich durch flüssigen, im erhitzten Zustand durch flüssigen und verdampften Elektrolyt gefüllt ist.
Diese erfindungsgemässe Elektrodendampfheizung zeichnet sich somit vom bekannten durch den Un- teischied aus, dass auf die Anwendung eines von Luft gefüllten Raumes im Aufnahmegefäss verzichtet wird. An die Stelle von Luft als gegendruckbildendes Medium tritt Dampf, der je nach dem Betriebszustand aus der Elektrolytflüssigkeit gebildet oder durch Kondensation wieder in diese zurückgeführt werden kann. Beim gleichen Wert des im System herrschenden Druckes kann durch Zufuhr von Wärme in das Aufnahmegefäss die Elektrolytflüssigkeit teilweise oder ganz aus diesem in den Elektrodenraum verdrängt werden. Durch Entzug von Wärme aus dem Aufnahmegefäss wird ein teilweises oder vollständiges Zurücksaugen der Elektrolytflüssigkeit aus der Elektrodenkammer in das Aufnahmegefäss bewirkt.
Die Gegendruckbildung im Aufnahmegefäss wird ausschliesslich durch die diesem zugeführte Wärmemenge im Verhältnis zu seiner Verlustwärme bewirkt, ohne mehr oder weniger grosse Verdrängung von Elektrolytflüssigkeit aus dem Elektrodenraum. Durch geeignete Festlegung des Temperaturwertes des Aufnahmegefässes lässt sich bei einem als Wärmeaustajscher vorgesehenen Kochkessel erreichen, dass während des ganzen Aufheizvorganges die volle Hlektrolytmenge und dadurch auch die volle Heizleistung wirksam ist, so dass eine vorübergehende Leistungsspitze vermieden wird. Die erfindungsgemässe Elektrodendampfheizung ist mit gleichen Vorteilen für niedrige und für hohe Betriebsdrücke verwendbar.
In Fig. 1 und 2 der Zeichnungsind zweibeispielsweise Ausführungsformen der Elektiodendampfhetzung gemäss der Erfindung schematisch dargestellt.
In Fig. l ist mit 1 ein geschlossener Elektrolytbehälter bezeichnet, welcher mit einer elektrischen Beheizungsvorrichtung 2 versehen ist und dessen unterer Teil durch eine Rohrleitung 3 mit dem unteren Teil einer geschlossenen Elektrodenkamm er 4 verbunden ist, in welcher die Elektroden 5 und 6 angeordnet sind.
Der obere Teil der Elektrodenkammer 4 ist durch eine Rohrleitung 7 mit dem geschlossenen Heizraum eines Wärmeaustauschers 8, im dargestellten Falle eines Kochkessels, verbunden, aus dessen unterem Teil eine Kondensatleitung 9 in die Elektrodenkammer 4 zurückführt. Mit 10 ist ein Hauptschalter bezeichnet, mittels welchem sowohl die Elektroden 5 und 6 als auch die Beheizungsvorrichtung 2 des Elektrolytbehälters 1 an ein Stromnetz s, t anschliessbar sind, während mit 11 ein Schalter bezeichnet ist, mittels welchem die Beheizungsvorrichtung 2 bei eingeschalteten Elektroden 5, 6 ausgeschaltet werden kann.
Bei nicht im Betrieb befindlicher Beheizungsvorrichtung 2 des Elektrolytbehälters 1 befindet sich der Elektrolyt vorteilhaft zum grössten Teil im Elektrolytbehälter 1 und der übrige Raum in dem durch diesen Elektrolytbehälter 1, die Elektrodenkammer 4 und den Heizraum des Wärmeaustauschers 8 sowie die Rohrleitungen 3,7 und die Kondensatleitung 9 gebildeten, geschlossenen System ist mit einem inerten Gas oder Gasgemisch gefüllt. Wird nun die Elektrodendampfheizung durch Schliessen des Hauptschalters 10 und des Schalters 11 in Betrieb gesetzt, so wird der Elektrolytbehälter 1 durch die Beheizungsvorrichtung 2 aufgeheizt.
Wird der Dampfdruck der im Elektrolytbehälter 1 befindlichen Elektrolytflüssigkeit grösser als der Druck der gasförmigen Füllung des übrigen Systems, so tritt im Elektrolytbehälter 1 Dampfbildung ein und es wird Elektrolyt aus dem Elektrolytbehälter 1 durch die Rohrleitung 3 in die Elektrodenkammer 4 verdrängt. Sobald die Elektroden 5,6 vom Elektrolyt erreicht werden, setzt der Stromdurchgang zwischen den Elektroden 5 und 6 ein und dieser Stromdurchgang nimmt mit der Eintauchtiefe der Elektroden 5 und 6 zu. Durch Joule'sche Wärme wird in der Elelmodenkammer 4 : Elek-. trolyt verdampft. Der Elektrolytdampf vermischt sich mit dem inerten Gas und gelangt durch die Rohrleitung 7 in den geschlossenen Heizraum des Wärmeaustauschers 8.
In diesem Heizraum des Wärmeaustauschers 8 gibt der Elektrolytdampf seine Wärme an die Wärmeaustauschfläche ab und kondensiert. Das Kondensat fliesst durch die Kondensatleitung 9 in die Elektrodenkammer 4 zurück. Der Dampfdruck im Elektrolytbehälter 1 und der Druck des Gas-Elektrolytdampf-Gemisches. in
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der Elektrodenkammer 4 und im Heizraum des Wärmeaustauschers 8 stehen in einer Wechselwirkung und ein stationärer Zustand ergibt sich, wenn an der Wärmeaustauschfläche des Wärmeaustauschers 8 gerade so viel Elektrolytdampf kondensiert wird, als in der Elektrodenkammer 4 erzeugt wird.
Wird dem GasElektrolytdampf-Gemisch durch die Wärmeaustauschfläche des Wärmeaustauschers 8 mehr Wärme entzogen, so sinkt infolge zu starker Kondensation von Elektrolytdampf der Druck des Gas-ElektrolytdampfGemisches und unter der Wirkung des höheren Dampfdruckes im Elektrolytbehälter 1 wird mehr Elektrolyt aus diesem in die Elektrodenkammer 4 verdrängt. Dies hat zur Folge, dass die Eintauchtiefe der Elektroden 5 und 6 und damit die Verdampfung von Elektrolyt in der Elektrodenkammer 4 zunimmt, bis das Gleichgewicht zwischen dem Druck in der Elektrodenkammer 4 und dem Heizraum des Wärme austauschers 8 einerseits und im Elektrolytbehälter 1 anderseits wieder hergestellt ist.
Tritt bei gleichbleibender Temperatur des Elektrolytbehälters 1 eine Abnahme der Kondensation von Elektrolytdampf an der Wärmeaus- tauschfläche des Wärmeaustauschers 8 ein, beispielsweise-infolge Steigerung der Temperatur des im Kochgefäss befindlichen Kochgutes, so hat dies eine Drucksteigerung im ganzen geschlossenen System zur Folge.
Dies bewirkt eine teilweise Kondensation des im Elektrolytbehälter 1 enthaltenen Dampfes, . vodurch Elektrolyt aus der Elektrodenkammer 4 durch die Rohrleitung 3 in den Elektrolytbehälter 1 zurückströmt, die Eintauchtiefe der Elektroden 5,6 und damit die Leistungsaufnahme und Elektrolytdampfbildung in der Elektrodenkammer 4 abnimmt, bis der Druck in der Elektrodenkammer 4 und im Wärmeaustauscher 8 mit dem der Temperatur des Elektrolytbehälters 1 entsprechenden Dampfdruck des Elektrolytes übereinstimmt.
Nimmt die Kondensation von Elektrolytdampf im Wärmeaustauscher 8 zu, so sinkt der Druck im Wärmeaustauscher 8 und in der Elektrodenkammer 4, der Dampfdruck des Elektrolyts im Elektrolytbehälter 1 überwiegt und es wird Elektrolyt aus dem Elektrolytbehälter 1 durch die Rohrleitung 3 in die Elektrodenkammer 4 verschoben, die Eintauchtiefe der Elektroden 5, 6 und damit die Leistungsaufnahme und Elektrolytdampfbildung in der Elektrodenkammer 4 nehmen zu, bis wiederum das Druckgleichgewicht zwischen Wärmeaustauscher8 und Elektrodenkammer sowie dem Elektrolytbehälter 1 hergestellt ist. Hört die Kondensation von Elektrolytdampf an der Wärmeaustauschfläche des Wärmeaustauschers 8 vollständig auf, z.
B. bei leer eingeschaltetem Kochkessel, so wird der Elektrolyt aus der Elektrodenkammer4 bis auf einen kleinen Rest, der eine zur Deckung der Wärmeverluste gerade genügende Elektrolytdampfbildung noch ermöglicht, verdrängt. Durch Beeinflussung der Beheizungsvorrichtung 2 des Elektrolytbehälters 1 wird dessen Temperatur und dadurch der Dampfdruck im System und die Wärmeübertragung im Wärmeaustauscher 8 reguliert. Die Elektrolytdampfbildung der Elektrodenkammer 4 und damit die Leistungsaufnahme regulieren sich selbsttätig bis zu der durch die maximale Eintauchtiefe der Elektroden 5,6 gegebenen Grenze nach Massgabe der Wärmeübertragungsverhältnisse im Wärmeaustauscher 8 und dem durch die Temperatur des Elektrolytbehälters 1 gegebenem Dampfdruck.
Die Beheizungsvorrichtung 2 des Elektiolytbehälters 1 kann auf verschiedene Weise reguliert werden, beispielsweise durch impulsweises Einschalten und Ändern der Impulsdauer, durch Vorschalten eines Regulierwiderstandes, durch direkte Spannungsänderung mittels eines Reguliertransformators. Es kann sich dabei als vorteilhaft erweisen, nur einen Teil der Beheizungsvorrichtung 2 regulierbar auszugestalten. Die Reguliervorrichtung der Beheizungsvorrichtung 2 kann in Abhängigkeit von der Leistung, vom Druck oder von der Temperatur gesteuert sein.
Da weder für die Regulierung der Leistungsaufnahme noch für die Begrenzung des Druckes bewegliche Teile durch die Wandungen des Elektrolytbehälters 1 und der Elektrodenkammer 4 hindurchgeführt werden müssen, des weiteren das System auch keine Durchbrechungen aufweist, die durch betriebsmässig bewegte Teile geschlossen sind, kann die aus dem Elektrolytbehälter 1, der Elektrodenkammer 4 und dem Heiz- raum des Wärmeaustauschers 8 mit Einschluss der Rohrleitungen 3 und 7 und der Kondensatleitung 9 bestehende Anlage als hermetisch geschlossenes System ausgebildet werden, so dass Gewähr dafür geboten ist, dass Menge und Konzentration des Elektrolytes unverändert erhalten bleiben.
Gegebenenfalls kann aus Sicherheitsgründen ein in der Zeichnung nicht dargestellter Thermostat in den Elektrolytbehälter 1 oder in die Elektrodenkammer 4 oder in beide eingebaut werden, welcher den Schalter 11 oder den Hauptschalter 10 bei Erreichen einer Maximaltemperatur ausschaltet. An geeigneter Stelle kann auch eine Schmelzsicherung angeordnet sein, welche die Stromzufuhr unterbricht, wenn die Temperatur in der Elektrodenkammer4 oder im Heizraum des Wärmeaustauschers 8 eine gefährliche Höhe erreicht.
An einer vom Elektrolyt nicht erreichbaren Stelle der Wandung des Heizraumes des Wärmeaustauschers 8, der Elektrodenkammer 4 oder der diese verbindenden Rohrleitung 7 kann ferner eine Weichlotsicherung vorgesehen sein, welche bei Erreichen eines bestimmten Druckes und einer bestimmten Temperatur, aber selbstverständlich erst nachdem die andem Sicherungsvorrichtungen zur Wirkung gebracht wurden, gelöst wird Die vorgesehenen Sicherungsvorrichtungen können mit elektrooptischen oder
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elektroakustischen Alarmvorrichtungen versehen werden.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Elektrodendampfheizung zur Beheizung eines Wärmeaustauschers entspricht im wesentlichen der vorbeschriebenen Ausführungsform. Mit 1 ist wiederum ein
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dessen unterer Teil durch eine Rohrleitung 3 mit dem unteren Teil einer Elektrodenkammer 4 verbunden ist. Die Elektrodenkammer 4, in welcher die Elektroden 5 und 6 angeordnet sind, ist durch eine Rohrleitung 7 mit dem Heizraum eines Wärmeaustauschers 8, in diesem Falle eines Heizungskessels, verbunden und aus diesem Heizraum führt eine Kondensatleitung 9 in die Elektrodenkammer 4 zurück. Mit dem Heizraum des Wärmeaustauschers 8 ist ein geschlossener Behälter 8'durch eine Rohrleitung verbunden, in welcher ein Metallpfropf 12 mittels Weichlot eingelötet ist.
Bei dieser Anordnung wird das in der Elektrodenkammer 4 und im Heizraum des Wärmeaustauschers 8 enthaltene inerte Gas bei Einsetzen der Dampfentwicklung in der Elektrodenkammer 4 ohne sich wesentlich mit Elektrolytdampf zu mischen in den Behälter 8'verdrängt. Dabei bleibt dieser Behälter 8'und die ihn mit dem Heizraum des Wärmeaustauschers 8 verbindende Rohrleitung verhältnismässig kühl und dies hat den Vorteil, dass zum Einlöten des Metallpfxopfens 12 ein Weichlot verwendet werden kann, dessen Schmelztemperatur niedriger ist als die Temperatur des Elektrolytdampfes bei maximal zulässigem Druck. Die Sicherheitwirddadurchwe- sentlich erhöht.
Auch die Ausführungsform nach Fig. 2 wird zweckmässig mit den vorstehend erwähnten, in der Zeichnung nicht dargestellten Sicherungsvorrichtungen versehen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrodendampfheizung mit einem hermetisch geschlossenen System, das aus mindestens einer Elektrodenkammer, einem mit dieser kommunizierenden, geschlossenen und mit einer elektrischen Heizung versehenen Aufnahmebehälter für einen flüssigen Elektrolyten und mindestens einem Wärmeaustauscher besteht, wobei durch Beheizung des geschlossenen Aufnahmebehälters flüssiger Elektrolyt aus demselben in die Elektrodenkammer verdrängt und in dieser verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmebehälter im kalten Zustand ausschliesslich durch flüssigen, im erhitzten Zustand durch flüssigen und verdampften Elektrolyt gefüllt ist.