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Lichtbogenheizeinrichtung für Gase
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erhitzen von Luft oder andern Gasen mit einem elektrischen Lichtbogen, insbesondere unter Verwendung der Energie eines toroidförmige Lichtbogens.
Im Rahmen der Erfindung wird ein Lichtbogen als toroidförmig bezeichnet, der in dem Ringraum
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Gas strömt.
Die Verwendung von heissen Gasströmen von hoher Geschwindigkeit hat in den letzten Jahren in vielen industriellen Verfahren eine grosse Bedeutung erlangt. Insbesondere braucht die Flugzeugindustrie eine Einrichtung zur Erzeugung derartiger Gasströme für Windtunnel und Materialprüfzwecke. Derartige heisse Gasströme von hoher Geschwindigkeit können im allgemeinen auf zwei Wegen erzeugt werden, u. zw. mit Hilfe von Gasflammen oder von elektrischen Lichtbögen. Im ersteren Fall müssen Gase verbrannt und können nur beschränkt hohe Temperaturen und Geschwindigkeiten erzielt werden.
Der elektrische Lichtbogen wird seit vielen Jahren beispielsweise zum Schweissen und Schneiden von Metall, zum Überziehen von Oberflächen, zum Kracken von Kohlenwasserstoffen und für ähnliche Zwekke verwendet. Es ist bereits versucht worden, Lichtbogeneinrichtungen zum Erhitzen von Gasströmen zu verwenden, doch waren diese nur in begrenzten Anwendungsgebieten erfolgreich.
Eine Lichtbogenheizeinrichtung für Gase muss vor allem eine äusserst hohe Lichtbogenleistung ermöglichen, die dann zum Erhitzen und zur Beschleunigung des Gases verwendet werden muss. In zweiter Linie muss die Einrichtung bei Umgebungstemperaturen bis zu 110000 C im Dauerbetrieb Geschwindigkeiten erzeugen können, die ein Mehrfaches der Schallgeschwindigkeit betragen. Schliesslich darf das Gas im wesentlichen keine Verunreinigungen, z. B. von der Elektrode erodiertes Material, enthalten.
Die Erfindung bezweckt vor allem die Schaffung einer Gaserhitzungseinrichtung, in der ein toroidförmiger Lichtbogen verwendet wird.
Ferner bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Erhitzungseinrichtung zur Erzeugung eines Gasstromes von geringer Geschwindigkeit und hohem Wärmeinhalt.
Die Zeichnung zeigt einen vertikalen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
Die Erfindung schafft eine Lichtbogenheizeinrichtung für Gase mit einer strömungsgekühlten, sich nicht verbrauchenden Stabelektrode, die axial in einer von der Stabelektrode isolierten und als zweite Elektrode dienenden rohrförmigen Gasleitung angeordnet ist, welche eine verengte Austrittsöffnung hat und ist dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmige Gasleitung eine ringförmige Trennwand aufweist, deren zentrale Öffnung mit der sie durchsetzenden Stabelektrode einen verengten ringförmigen Gasdurchlass zwischen der stromaufwärts von der Trennwand befindlichen Gaseintrittskammer und dem stromabwärts von der Trennwand befindlichen verbleibenden Raum der Leitung bildet, wobei die Spitze der Elektrode zwischen der Trennwand und der Austrittsöffnung der Leitung angeordnet ist.
Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform weist eine zylindrische Düsenelektrode 60 auf, in deren Mittellinie sich eine axial angeordnete Stabelektrode 10 erstreckt, so dass zwischen den Elektroden eine Lichtbogenkammer 63 gebildet wird. Ein zu erhitzender Gasstrom wird in die Lichtbogenkammer am einen Ende derselben eingeleitet, durch sie hindurch und am andern Ende aus ihr herausgeführt. Das Gas kann axial oder unter Erzeugung eines Dralls eingeleitet werden. Die Düsenelektroae ist von einer
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Feldwicklung 61 umgeben, die in der Lichtbogenkammer ein sehr starkes Magnetfeld erzeugt.
Wenn zwi- schen der Düse und der Stabelektrode ein Lichtbogen erzeugt wird, dreht sich dieser rasch um die Stab- elektrode herum und bestreicht eine beträchtliche Fläche der Elektroden, so dass der Gasstrom in einem beträchtlichen Teil des Volumens der Kammer erhitzt wird. Der erhitzte Gasstrom gelangt dann in eine von der Düsenelektrode elektrisch isolierte Staukammer 86, in der ein Druckstau erfolgt uud aus der das
Gas durch die Austrittsdüse 94 austritt. Der aus der Austrittsdüse austretende Gasstrom hat eine äusserst hohe Temperatur und Überschallgeschwindigkeit.
Die Stabelektrode 10 durchsetzt den Träger 12, in dem sie mit Isolierkörpern 14 und 16 angeordnet ist. Die Stabelektrode 10 ist hohl und enthält einen Rohrkörper 18, der eine Eintrittsstrecke 20 und eine
Austrittsstrecke 22 für ein Kühlmittel bildet. Mittels der Klemme 24 ist eine nicht gezeigte Lichtbogen- stromquelle an die Elektrode 10 angeschlossen.
Im Bereich des Trägers 12 ist eine Gaseintrittskammer 30 mit einer oder mehreren Eintrittsöffnun- gen 32 vorgesehen, die von einem Rohrkörper 34 gebildet wird und an ihrem stromaufwärts gelegenen
Ende mit der Isoliermutter 16 und der Gegenmutter 36 verschlossen ist. Am stromabwärts gelegenen Ende der Kammer sind ein Isolierkörper 40 und eine ringförmige Trennwand 42 angeordnet. Die Trennwand 42 bildet einen die Stabelektrode 10 umgebenden ringförmigen, verengten Durchlass.
Die rohrförmige Düsenelektrode 60 umgibt die Stabelektrode unmittelbar stromabwärts von der Trennwand 42 und bildet mit ihr eine Lichtbogenkammer 63. Die Düsenelektrode wird von einem gewindetragenden Körper 62, einem rohrförmigen Wassermantel 64 und einer Düsenmutter 66 getragen. Der Körper
62 greift an dem Isolierkörper 40 an und trägt den rohrförmigen Körper 64 und die Dasenmutter 66, die ihrerseits das stromabwärts gelegene Ende der Düsenelektrode 60 trägt. Die Trennwand 42 ist in dem stromaufwärts gelegenen Ende der Düsenelektrode angeordnet und liegt gasdicht an dem Isolierkörper 40 an. Der Körper 64 bildet einen die Düsenelektrode umgebenden ringförmigen Kuhlkanal 68 mit dem Eintritt 70 und dem Austritt 72.
Ein Anschluss für Lichtbogenstrom ist bei 74 vorgesehen.
Die an dem stromabwärts gelegenen Ende der Dilsenelektrode angeordneten Isolierkörper 76,78 und 80 tragen zwei Rohrkörper 82 und 84, die eine Staukammer 86 und einen ringförmigen Kühlkanal 88 für sie begrenzen, der eine Eintritts- und eine Austrittsstrecke 90 bzw. 92 hat. An ihrem stromabwärts gelegenen Ende ist die Staukammer 86 mit einer Austrittsdüse 94 und einem an den Körpern 82 und 84 angreifenden Tragkörper 96 versehen. Die Austrittsdüse wird von dem Haltering 98 in dem Tragkörper 96 gehalten und ist von einem Kühlkanal 99 umgeben, der einen Eintritt 100 und einen Austritt 101 aufweist.
Die Wicklung 61 zur Erzeugung des Magnetfeldes ist aussen um die Düsenelektrode 60 herumgewickelt und an eine geeignete Stromquelle angeschlossen, so dass in der Lichtbogenkammer 63 ein starkes Magnetfeld erzeugt wird. Die Feldwicklung wird zweckmässig aus Kupferrohr hergestellt, so dass das Kühlmittel direkt durch die Wicklung geführt werden kann.
In einem Anwendungsbeispiel der vorliegenden Einrichtung wird eine kleine Menge atmosphärischer Luft unter Druck durch die Öffnungen 32 so in die Kammer 30 eingeleitet, dass die Luft axial an der Stabelektrode 10 entlang und durch die Drosselstelle 42 strömt und an der Austrittsöffnung 94 herausgeführt wird. Bei entsprechender Ausbildung der Öffnungen kann der Luft gegebenenfalls eine Wirbelbewegung oder ein Drall erteilt werden. Die Trennwand 42 ist zweckmässig, weil die Geschwindigkeit des Gases so hoch sein muss, dass der an derDrosselstelle gebildete Lichtbogen längs der Stabelektrode 10 bewegt wird.
Es hat sich gezeigt, dass bei einer Stabelektrode von 25 mm Durchmesser die Drosselstelle einen Durch- messer von 31 mm haben kann. Die Öffnungen 32 sollen so weit von der Trennwand 42 entfernt sein, dass die Gasströmung vor Erreichen der Drosselstelle laminarisiert wird. Es hat sich gezeigt, dass dieser Abstand 101-177 mm betragen kann. Die Drosselstelle schützt ferner den Isolator 40 vor einer Zerstörung durch Strahlungswärme.
Eine geeignete Stromquelle ist bei 24 an die Stabelektrode 10 und bei 74 an die mit der Dlisenelek- trode 60 in elektrischer Verbindung stehende Mutter 66 angeschlossen. Es kann Gleichstrom mit negativ oder positiv gepolter Stabelektrode verwendet werden. Der Lichtbogen wird durch beliebige geeignete Mittel, beispielsweise einen Hochfrequenz-Zundlichtbogen, an der Drosselstelle 42 zwischen der Stabelektrode 10 und der Düsenelektrode 60 gebildet. Dann wird die Luftmenge nach Wunsch vergrössert. Der schliesslich gebildete Lichtbogen bewegt sich von der Drosselstelle 42 weg längs der zwischen der Stabelektrode 10 und der Dilsenelektiode 60 gebildeten Lichtbogenkammer 63. Dabei dreht sich der Lichtbogen in einer nachstehend beschriebenen Weise um den Aussenumfang der Stabelektrode 10.
Wegen seiner hohen elektrischen und Wärmeleitfähigkeit wird vorzugsweise Kupfer als Material für beide Elektroden verwendet. Bei diesem Material ist auch die Beschädigung der Elektroden in Anwesen-
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heit von oxydierend wirkenden Atmosphären minimal. Als Kathodenmaterial kann man auch Aluminium verwenden. Bei Verwendung von nicht sauerstoffhaltigen Gasen kann man auch Wolfram, Molybdän und
Messing verwenden.
Das'Kühlmittel gelangt zu der Düsenelektrode 60 durch die Eintrittsöffnung 70 und den Ringraum 71 zwischen der Dtisenelektrode 60 und dem DUsenmantel 64 und tritt aus der Austrittsöffnung 72 aus. Diese Kühlwasserkanäle stellen ein wesentliches Merkmal der Vorrichtung dar. Wenn, wie in der vorliegenden
Vorrichtung, relativ hohe Stromdichten angewendet werden, müssen die Elektroden wirksam gekühlt wer- den, damit sie durch den intensiven Lichtbogen nicht geschmolzen werden. Es hat sich gezeigt, dass eine
Kühlung mit schnell strömendem Wasser infolge der hohen Wärmeübertragungszahlen gute Ergebnisse lie- fert. Das Kühlmittel soll daher unter hohem Druck zugeführt werden.
Wenn in der vorliegenden Vorrich- tung der Kühlraum 71 zu gross ist, wird das unter hohem Druck und mit hoher Geschwindigkeit zugeführ- te Kühlmittel in einer grösseren Menge verbraucht als erforderlich ist. Daher soll der Kühlraum 71 einer- seits so klein sein, dass nicht zu viel Kühlmittel verbraucht wird, anderseits aber so gross sein, dass eine kontinuierliche Strömung erhalten wird. Bei Zuführung von Wasser unter einem Druck von 17,6 kg/cm hat sich eine Ringbreite des Kühlraums 71 von beispielsweise etwa 0,4 mm als zweckmässig erwiesen.
Die Stabelektrode 10 wird mit Kühlmittel beschickt, indem in den Ringraum 20 zwischen den konzentrischen Rohren 10 und 18 Wasser eingeleitet wird, das den Raum 20 durchströmt und durch den von dem Innenrohr 18 gebildeten Raum 22 austritt. Infolge der napfförmigen Ausbildung der Innenteile kann eine grössere Fläche der Elektrodenspitze von dem Kühlwasser bestrichen werden.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ragt die Stabelektrode 10 über die Dasenmutter 66 hinaus vor. Bei Verwendung einer langgestreckten Stabelektrode neigt der Lichtbogen zur Konzentration an der Elektrodenspitze. In der vorliegenden Einrichtung ist jedoch ein Lichtbogen erwünscht, der sich längs der Lichtbogenkammer zwischen der Stabelektrode und der Düsenelektrode erstreckt und den Querschnitt dieser Kammer im wesentlichen ausfüllt. Daher wird dafür gesorgt, dass der Lichtbogen nicht an der Spitze der Stabelektrode lokalisiert wird. Zu diesem Zweck erstreckt sich die Elektrode 10 vorzugsweise aber die Mündung der Düsenelektrode 60 und ihre Düsenmutter 66 hinaus.
Bei dieser Ausbildung der Einrichtung wird auch die Erosion der Elektrode verringert, weil der Lichtbogen längs der Stabelektrode in geringerer Konzentration aufrecht erhalten werden kann. Es ist daher erwünscht, dass die Stabelektrode um eine minimale Entfernung über die Dasenmutter hinaus vorsteht. Bei Verwendung einer Innenelektrode von 25 mm Durchmesser hat sich dabei eine Entfernung von 25 mm als zweckmässig erwiesen.
Dadurch, dass sich die Stabelektrode über die Düsenelektrode hinaus erstreckt, wird die unerwünschte Lokalisierung des Lichtbogens an der Spitze der Stabelektrode vermieden. Der Lichtbogen neigt jedoch auch zur Lokalisierung an einer längs der Stab-oder Düsenelektrode gelegenen Stelle. Diese Schwierigkeit wird erfindungsgemäss durch die zusätzliche Anordnung der aus Kupfer bestehenden Feldwicklung 61 beseitigt, die ein Magnetfeld erzeugt, das eine starke zur Achse des Brenners parallele Komponente hat, die den Lichtbogen um den Aussenumfang der Stabelektrode und den Innenumfang der Düsenelektrode dreht. Diese Wicklung kann auf beliebige geeignete Weise, vorzugsweise mit Wasser, gekühlt werden.
Die Feldwicklung kann entweder in Reihe an die Stromquelle der Elektroden angeschlossen sein oder eine eigene Stromquelle haben.
Ein weiterer Vorteil des sich drehenden Lichtbogens besteht darin, dass die Luft oder das Gas beim Durchtritt durch die Düse wirksamer erhitzt wird. Da der Lichtbogen rotiert, wird der ganze von der Luft durchströmte Querschnitt der von dem Lichtbogen erzeugten Wärme ausgesetzt.
Die durch die Feldwicklung bewirkte Drehung des Lichtbogens führt ferner zu einer beträchtlichen Erhöhung der Stromstärke, mit der die Elektroden belastet werden können. Bei gegebener Elektrodenfläche kann die Fläche, auf welcher der Lichtbogen momentan lokalisiert ist, nur mit einer solchen Stromstärke belastet werden, dass kein Schmelzen und keine starke Erosion der Elektrode durch den Lichtbogen erfolgt.
Durch die Feldwicklung wird der Lichtbogen über eine grössere Elektrodenfläche ausgebreitet, so dass die Lichtbogenfläche vergrössert wird und zulässige Stromdichten noch bei höheren Gesamtstromstärken erhalten werden.
Die Feldwicklung bewirkt auch eine Stabilisierung des Lichtbogens. Bei gegebener Stromstärke und Gasmenge soll das von der Feldwicklung erzeugte Feld so stark sein, dass der Lichtbogen nicht"wandern" und schliesslich ausgeblasen werden kann. Beispielsweise trat bei einer Stromstärke von 600 A und einer Gasmenge von 23,5 m3/h ein Erlöschen oder Ausblasen des Lichtbogens ein, wenn das von der Wicklung erzeugte Feld nur eine Stärke von 24 Kiloampere-Windungen hatte.
Der heisse Gaseffluent tritt aus der Lichtbogenkammer durch die Austrittsöffnung der Dasenelektrode, die Staukammer 86 und die Austrittsdüse 94 aus.
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Damit der Effluent mit einer hohen Geschwindigkeit in einen Raum austreten kann. der unter atmo- sphärischem Druck steht, muss in derStaukammer em hoher Druck einer Grössenordnung von'7-14 kg/cm erzeugt werden. Zu diesem Zweck ist die verengte Austrittsdüse 94 vorgesehen. Die Grösse des verengten
Durchlasses ist von den Drücken abhängig, die einerseits erwünscht sind und anderseits ohne Beschädigung der Einrichtung aufrecht erhalten werden können. In der Zeichnung ist eine divergierende, beschleuni- gend wirkende Düse gezeigt, doch kann gegebenenfalls auch eine konvergierende oder parallele Düse ver- wendet werden.
Wie vorstehend angegeben, ist die Staukammer durch die Isolatoren 76,78 und 80 von der Lichtbo- geneínrichtung elektrisch isoliert. Diese Isolatoren stellen ein wesentliches Merkmal der Kammer dar.
Wenn die Kammer dasselbe Potential hätte wie die Dl1senelektrode, würde der Lichtbogen dazu neigen, von der Düsenelektmde zu den Wandungen der Kammer zu wandern. Für die Isolatoren 78 und 80 geeig- nete Materialien sind beispielsweise Phenolharze mit oder ohne Glimmerzusatz und Nylon. Der Isola- tor 76 bewirkt ferner einen Schutz der Isolatoren 78 und 80 vor der Hitze der Düsenelektrode 60. Er wird daher vorzugsweise aus geschmolzener Kieselsäure. Bornitrid oder einer Asbestmasse hergestellt, doch können auch andere Materialien mit ähnlichen Eigenschaften verwendet werden.
Die Kühlung der Kammer 86 und ihrer Austrittsdüse 94 erfolgt durch ein die Ringkanäle 88 bzw. 99 durchströmendes Kühlmittel.
Vorstehend wurde die Einrichtung in ihrer Anwendung zur Erzeugung eines heissen Gasstromes von hoher Geschwindigkeit beschrieben, doch kann sie auch zur Erzeugung eines relativ langsamen Gasstromes von hohem Wärmeinhalt dienen, weil infolge des relativ grossen Volumens der Lichtbogenkammer zwischen der zentralen Elektrode 10 und der sie umgebenden Elektrode 60 das Gas durch die Heizeinrichtung selbst mit relativer Geschwindigkeit strömt und daher infolge seiner längeren Verweilzeit in der Lichtbogenkammer wirksamer erhitzt werden kann. Ohne die Staukammer 86 ist die Einrichtung daher zur Erzeugung eines langsamen Gasstromes von hohem Wärmeinhalt geeignet, wie dies beispielsweise für Ma- terialprüfzwecke erwünscht ist.
Wenn die Einrichtung vorwiegend zur Erzeugung eines Gasstromes mit hohem Wärmeinhalt verwendet wird, soll sich die Dilsenelektrode nur wenig über den Bereich hinaus erstrecken, in dem der Lichtbogen lokalisiert wird. Die innere Elektrode steht dann um die erforderliche Mindestentfernung von 25 mm über die Düse vor. Wenn die Längen diese erforderlichen Werte Überschreiten, wird der Wärmeinhalt des erzeugten Gasstromes herabgesetzt, weil beim Austritt des Gases aus der Einrichtung ein grösserer Teil der erzeugten Wärme an die Elektroden abgegeben wird.
Die nachstehenden Ausführungsbeispiele erläutern die Verwendung der erfindungsgemässen Lichtbogeaheizeinrichtung für Gase. Im Beispiel 1 wurde eine Einrichtung der in Fig. l gezeigten Art, jedoch ohne die Staukammer 86 und ihre Düse, verwendet. Im Beispiel 2 wurde mit der Staukammer gearbeitet.
Beispiel l : In diesemBeispiel wurde eineStabelektrodemit25mmDurchmesser und einer Länge von 625 mm verwendet, die 25 mm über die Düsenmutter hinausragte. Die Düsenelektrode war 300 mm lang und hatte einen Innendurchmesser von 50 mm. Die Drosselstelle am Eingang zur Düsenelektrode hatte eine Länge von 63 mm und einen Innendurchmesser von 32 mm. Die Dilsenelektrode war von einer wassergekühlten Feldwicklung umgeben, die ein stromaufwärts gerichtetes Feld von 25 Kiloamprewindungen erzeugte. Luft in einer Menge von 9 m3/h wurde der Kammer durch zwei Öffnungen zugeführt, die von der Drosselstelle einen Abstand von etwa 165 mm hatten. so dass eine laminarisierte axiale Strömung gebildet wurde. Bei als Kathode geschalteter Düsenelektrode wurde die Einrichtung mit 1400 A ge- speist.
Unter diesen Bedingungen betrug die umgesetzte Gesamtleistung 235 kW, die Lichtbogenspannung 168 V, die an das Gas abgegebene Leistung 76. kWund der berechnete Wärmeinhalt des Gases 5500 kcal/kg.
Man erkennt, dass ohne Beschädigung der Einrichtung eine relativ hohe Stromstärke angewendet werden kann. Dies geht daraus hervor, dass der Lichtbogeneffluent blau war und damit anzeigte, dass keine Erosion der Elektrode erfolgte. Infolge der Drehung des Lichtbogens durch das strömende Gas wurde dieses durch den starken Strom wirksam erhitzt, was aus dem hohen Wärmeinhalt hervorgeht. Man erkennt, dass die durch das schnell strömende Medium bewirkte Kühlung und die Drehung des Lichtbogens hohe Stromstärken ohne Beschädigung der Einrichtung verwendet werden können.
Be is pie I 2 ; In diesem Ausfuhmngsbeispiel waren die Abmessungen der Lichtbogeneinrichtung und die Bedingungen der Feldwicklung dieselben wie im Beispiel 1. Die Staukammer hatte eine Länge von etwa 152 mm und einen Innendurchmesser von 72 mm. Die Austrittsdüse hatte an der engsten Stelle einen Innendurchmesser von 6,3 mm und eine Länge von 44 mm. Luft wurde in einer Menge von 42 m/h in der in Beispiel 1 angegebenen Weise zugeführt. Bei als Anode geschalteter Düse wurde die Einrichtung mit 400 A beschickt. Unter diesen Bedingungen betrug die gesamte umgesetzte Leistung 106 kW, die
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Lichtbogenspannung 265 V, die an das Gas abgegebene Leistung schätzungsweise 21 kW und der Wärmeinhalt des Gases 360 kcal/kg.
Innerhalb der Staukammer wurde ein Druck von 7,5 kg/cm erzeugt, der eine Austrittsgeschwindigkeit des Gases von 914 m/sec ergab, was unter diesen Bedingungen einer Mach-
Zahl zwischen 1 und 2 entspricht.
Aus der vorstehenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen erkennt man, dass die Erfindung eine zweckmässige Einrichtung zur Erzeugung eines heissen Gasstromes von hoher Geschwindigkeit schafft, die zur Materialprüfung oder zusammen mit Windtunneln für aeronautische Konstruktionen und für viele andere Zwecke verwendet werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Lichtbogenheizeinrichtung für Gase mit einer strömungsgekühlten, sich nicht verbrauchenden Stabelektrode, die axial in einer von der Stabelektrode isolierten und als zweite Elektrode dienenden rohrförmigen Gasleitung angeordnet ist, welche eine verengte Austrittsöffnung hat, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmige Gasleitung eine ringförmige Trennwand aufweist, deren zentrale Öffnung mit der sie durchsetzenden Stabelektrode einen verengten ringförmigen Gasdurchlass zwischen der stromaufwärts von der Trennwand befindlichen Gaseintrittskammer und dem stromabwärts von der Trennwand befindlichen verbleibenden Raum der Leitung bildet, wobei die Spitze der Elektrode zwischen der Trennwand und der Austrittsöffnung der Leitung angeordnet ist.