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Die
Erfindung betrifft ein Wärmerohr gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei
Heiz- und Kraftwerksanlagen werden große Anstrengungen
unternommen, um über Kraft-Wärmekoppelung den
Wirkungsgrad zu erhöhen und über verschiedene
Pyrolyseverfahren (Thermoselect, Holzvergasung, Schwel-Brenn-Verfahren, PKA-Verfahren
etc.) alternative Energieträger wie z. B. Hausmüll,
Biomasse oder Holzpellets als Brennstoff einsetzbar zu machen.
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Eine
weitere Möglichkeit, auch alternative Energieträger
bei hohem Wirkungsgrad in verwertbare Energieformen umzusetzen bieten
Dampfreformer, bei denen unter hohen Temperaturen beispielsweise
Holzpellets mit Wasserdampf zu einem wasserstoffreichen Synthesegas
umgewandelt werden. Die dabei verbleibenden Koksrückstände
können in einem laufenden Prozess zur Erzeugung der für
das Dampfreformieren nötigen Wärme verbrannt werden, so
dass insgesamt mit einem hohen Wirkungsgrad ein energiereiches Synthesegas
erzeugt wird, welches wiederum als Brennstoff in nachgelagerten
Prozessen dienen kann. Ein derartiger Dampfreformer ist der internationalen
Patentanmeldung
WO 00/77128
A1 zu entnehmen.
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Dabei
werden zum Wärmetransport zwischen einer unteren, externen
Brennkammer zur Erzeugung der für das Dampfreformieren
nötigen Wärme und der darüber befindlichen,
eigentlichen Reformerkammer Wärmerohre (so genannte Heatpipes) als
Wärmetransportsystem eingesetzt, in denen ein Wärmeträgermedium
wie beispielsweise Kalium in einem Kreislauf verdampft und wieder
auskondensiert.
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Beim
Einsatz derartiger Heatpipes in wasserstoffreicher Atmosphäre,
wie sie in dem vorstehend beschriebenen Heatpipe-Reformer in der
Reformerkammer und damit am Kondensationsende des Wärmerohrs
anzutreffen ist, stellt sich das Pro blem, dass viele Materialien,
insbesondere Metalle für molekularen Wasserstoff auf Grund
seiner kleiner Molekülgröße durchlässig
sind. Da zwischen dem Heatpipe-Inneren und der Reformerkammer ein
Partialdruckgefälle des Wasserstoffs herrscht, kommt es also
zu einer gewissen Eindiffusion durch die Rohrhülle des
Wärmerohrs hindurch und somit zu einer Anreicherung von
Wasserstoff innerhalb des Wärmerohrs. Der in das Wärmerohr
eindiffundierte Wasserstoff wird dann durch das Arbeitsmedium konvektiv
in die Kondensationszone transportiert. Während das Arbeitsmedium
kondensiert und in die Verdampferzone zurück fließt
bildet sich oberhalb der Kondensationszone ein Wasserstoffpolster
oder Inertgaspolster, welches Gase enthält, die bei den
Betriebsbedingungen das Wärmerohrs nicht kondensieren und
somit das Wärmeträgermedium verdrängen,
was die aktive Fläche des Wärmerohrs verringert.
Als Inertgas kommt dabei nicht nur der eindiffundierte Wasserstoff in
Frage, sondern auch weitere Gase, die durch unsauberes Arbeiten
bei der Wärmerohr-Fertigung in dem Wärmerohr enthalten
sein können, so dass sich das vorstehend skizzierte Problem
auch in nichtwasserstoffhaltigen Umgebungen stellen kann.
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Um
die in dem Inertgaspolster gesammelten Gase zu einer Rückdiffusion
durch die Wandung des Wärmerohrs zu bewegen, wurde in der
internationalen Patentanmeldung
WO 2007/113311 A1 schon vorgeschlagen, das
Wärme abgebende Ende des Wärmerohrs mit einem
Wasserstoffabzug zu versehen, welcher ein Wasserstoff-Partialdruckgefälle
vom Inertgaspolster zum Abzug hin bereitstellt. Der Wasserstoffabzug
kann dabei beispielsweise in Form einer evakuierbaren, um das Wärme
abgebende Ende des Wärmerohrs herumgelegten Kappe ausgebildet sein.
Das sich einstellende Partialdruckgefälle zwischen dem
Wasserstoff in dem Inertgaspolster und dem evakuierten Raum in der
umgebenden Kappe treibt den Wasserstoff aus dem Wärmerohr.
Dabei entspricht der Partialdruck des Wasserstoffs in dem Inertgaspolster
weitgehend dem Dampfdruck des gasförmigen Wärmeträgermediums,
welches gegen das Inertgaspolster strömt und dieses somit
auf seinem eigenen Druck zusammendrückt. Bei Kalium gefüllten
Wärmerohren wird beispielsweise bei 900°C ein
Dampfdruck von ca. 3 bar erreicht, also auch ein Inertgaspolster-Druck
von ca. 3 bar, wohingegen in der evakuierten Kappe, welche zusätzlich
beheizbar sein kann, auf Grund der Evakuierung ein niedrigerer Druck
herrscht.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Wärmerohr
zu schaffen, mit dem alternativ oder ergänzend zu der vorstehend
genannten Lösung eine Rückdiffusion des Inertgases aus
dem Inertgaspolster verbessert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist
dazu eine Elektroheizung des Wärmerohrs vorgesehen, mit
zumindest einem Heizwiderstand zur Beheizung einer Rohrhülle des
Wärmerohrs an seinem Wärme abgebenden Ende.
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Der
Erfinder hat erkannt, dass die Durchlässigkeit der üblicherweise
metallischen Rohrhülle des Wärmerohrs für
Wasserstoff mit der Temperatur stark ansteigt. Wird beispielsweise
ihre Temperatur von 600°C auf 900°C erhöht,
so kann – überschlägig gerechnet – eine
zehnmal schnellere Diffusion erfolgen. Wird die Rohrhülle
am Wärme abgebenden Ende erhitzt, so wird sich die erwünschte
Rückdiffusion von Wasserstoff aus dem Inertgaspolster aus
dem Wärmerohr heraus verstärkt einstellen, sofern
ein treibendes Partialdruckgefälle vorhanden ist. Das Partialdruckgefälle
ergibt sich dabei aus dem Dampfdruck des Wärmeträgermediums,
beispielsweise eines Alkalimetalls wie Kalium und dem Wasserstoff-Partialdruck
auf der Außenseite des Wärme abgebenden Endes
des Wärmerohrs. Mit elektrischen Heizwiederständen
lassen sich dabei besonders zielgenau und in so unzugänglichen
Bereichen, wie z. B. innerhalb einer Dampfreformerkammer auf relativ
einfache Weise Erwärmungen der Rohrhülle der Heatpipes am
Wärme abgebenden Ende über die in der Reformerkammer
herrschende Prozesstemperatur hinaus erzielen.
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Wird
der Dampfreformer beispielsweise bei atmosphärischem Druck
betrieben, so ist zur Steigerung der Rückdiffusion des
Wasserstoffs aus dem Inertgaspolster in die Reformerkammer ein treibendes Partialdruckgefälle
von ca. 2,6 bar vorhanden, wenn Kalium als Wärmeträgermedium
eingesetzt wird und 900°C Prozesstemperatur in der Reformerkammer herrscht
(Kalium-Dampfdruck 3 bar, Gesamtdruck in der Reformerkammer 1 bar,
Partialdruck des Wasserstoffs in der Reformerkammer 0,4 bar).
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Wird
der Dampfreformer dagegen druckaufgeladen mit höheren Partialdrücken
das Wasserstoffs in der Reformerkammer als dem Partialdruck des
Inertgaspolsters betrieben, so kann vorteilhaft ein ergänzender
Wasserstoffabzug am Wärme abgebenden Ende des Wärmerohrs
vorgesehen sein, wie er bereits in der
WO2007/11331 A1 vorgeschlagen worden
ist. Auf die dortige Offenbarung wird insofern zur vorteilhaften
Weiterbildung der hier vorliegend Erfindung vollinhaltlich Bezug
genommen.
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Der
Heizwiderstand kann also beispielsweise als in die Rohrhülle
des Wärmerohrs eingelassene Heizdrähte ausgeführt
sein. Auch eine Beheizung lediglich eines Deckels der Rohrhülle
am Wärme abgebenden Ende des Wärmerohrs über
dort eingelassene Heizdrähte wäre denkbar. Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ragt der Heizwiderstand
jedoch am Wärme abgebenden Ende in die Rohrhülle
hinein, wobei das Wärmerohr jedoch trotzdem gegen Austritt
des Wärmeübertragungsmediums dicht sein muss.
Dazu kann der Heizdraht über eine Heizwiderstandshülle
gegen das Rohrhülleninnere abgeschirmt sein, welche wärmeübertragungsmediumsdicht,
aber wärmedurchlässig ist, also beispielsweise
aus Metall besteht und beispielsweise mit einem Deckel der Rohrhülle
am wärmeabgebenden Ende verschweißt sein kann.
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Damit
gelingt es, auch bei für eine hohe Wärmeabgabe
nötigen, großdimensionierten Heizwiderständen
die für eine hohe Wasserstoffdurchlässigkeit der
Rohrhülle des Wärmerohrs benötigten Temperaturen
oberhalb der Prozesstemperatur in der Reformerkammer zu erzeugen,
ohne dabei die für die Rückdiffusion zur Verfügung
stehende Durchtrittsfläche der Rohrhülle zu verringern.
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Im
Gegenteil kann gemäß einer weiteren vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung ein hohlzylindrischer Kernabschnitt
der Heizwiderstandshülle vorgesehen sein, wobei der Heizwiderstand
dann zweckmäßig entweder ein hohlzylindrischer
Heizstab oder ein um den Kernabschnitt wendelförmig aufgewickelter
Heizdraht sein kann. Der den Heizwiderstand auf seiner Innenseite
gegen das Wärmeübertragungsmedium des Wärmerohrs
abschirmende Kernabschnitt bildet dabei zusammen mit einem dem Heizwiderstand
auf seiner Außenseite gegen das Wärmeübertragungsmedium
abschirmenden Tauchrohrabschnitt und vorzugsweise einen die zum
Rohrhülleninneren gewandte Seite des Heizwiderstands abschirmenden
Deckelabschnitt die Heizwiderstandshülle, so dass sich
die wasserstoffdurchlässige Durchtrittsfläche
im Bereich des sich am Wärme abgebenden Ende des Wärmerohrs
ansammelnden Inertgaspolster noch weiter vergrößert.
Die Durchtrittsfläche kann aber durch andere konstruktive Maßnahmen
vergrößert werden.
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Im
Sinne einer einfachen Bauform kann der Heizwiderstand aber auch
einfach als Heizstab ausgeführt sein, welcher von einem
Tauchrohr außenseitig umschlossen sein kann. Dabei kann
das Tauchrohr sich über die ganze Länge des Wärmerohrs
erstrecken oder einseitig geschlossen lediglich soweit in die Rohrhülle
hineinragen, wie eine Beheizung durch den Heizstab Sinn macht, also
in den Bereich, in dem das Inertgaspolster sich ungefähr
befindet, wobei es dementsprechend zweckdienlich ist, wenn sich
auch der Heizwiderstand nur auf diese Länge in die Rohrhülle
hinein erstreckt.
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Wenn
der Heizwiderstand mit einstellbarer Eintauchtiefe in die Rohrhülle
des Wärmerohrs ragt und eine Eintauchtiefen-Einstelleinrichtung
zum Einstellen der Eintauchtiefe des Heizwiderstands in die Rohrhülle
vorgesehen ist, gelingt eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads
des Wärmerohrs dadurch, dass die Eintauchtiefe des Heizwiderstands genau
auf die Länge des momentan aufgepufferten Inertgaspolsters
abgestimmt werden kann. Dazu ist vorteilhaft eine Lagebestimmungseinrichtung
zum Bestimmen der Lage einer sich im Betrieb im Rohrhülleninneren
einstellenden Trenngrenze zwischen dem Inertgaspolster und dem Wärme trägermedium vorgesehen.
Die Lagebestimmungseinrichtung kann dabei ein auf einem Rechner
gespeichertes Modell des Wärmerohrs sein, an Hand dessen
die Lage bzw. Länge oder Höhe des Inertgaspolsters
errechnet werden kann. Vorzugsweise weist sie jedoch eine Messeinrichtung
auf, über welche die Wasserstoffhaltigkeit an der Messstelle
im Wärmerohr erfasst werden kann. Dazu können
vorteilhaft Temperaturerfassungseinrichtungen in den Heizwiderstand
integriert sein, etwa in Form von Thermoelementen oder anderen nach
dem Seebeck-Prinzip arbeitenden Elementen, oder anderen Thermosensoren.
Mittels einer entsprechenden Steuereinrichtung kann dann die Eintauchtiefen-Einstelleinrichtung
im Ansprechen auf die Ausgabe der Lagebestimmungseinrichtung betätigt
werden, um das zum Wärme aufnehmenden Ende des Wärmerohrs
hin gewandte Ende des Heizwiderstands im Bereich des Inertgaspolsters,
vorzugsweise in der Nähe der Trenngrenze anzuordnen oder,
falls der Heizwiderstand entsprechend eingerichtet ist, lediglich
in dem Lageabschnitt zwischen dem Deckel der Rohrhülle
am Wärme abgebenden Ende und der Trenngrenze auf Leistungsabgabe
zu schalten.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es aber auch
möglich, die Wärmetransportleistung des Wärmerohrs
durch Beeinflussung der Ausdehnung des Inertgaspolsters per Steuerung
oder Regelung der Heizwiderstandswärmeabgabe einzustellen
bzw. zu steuern oder zu regeln. Denn neben dem Diffusionswiderstand
der Rohrhülle im Bereich des Inertgaspolsters und dem Partialdruckgefälle
nach außen hin ist auch die Ausdehnung des Inertgaspolsters
auch direkt abhängig von der Temperatur und kann somit
durch die Beheizung variiert werden. Die Ausdehnung des Inertgaspolsters
bestimmt wiederum die aktive, d. h. für die Zirkulation
des Wärmeträgermediums zur Verfügung stehende
Länge. Als Istgröße für die
Regelung kann dabei wiederum die Ausgabe der Lagebestimmungseinrichtung
herangezogen werden. Alternativ oder ergänzend hierzu kann
auch durch Verfahren des Heizwiderstands in die Rohrhülle
hinein oder aus ihr heraus mittels der Eintauchtiefen-Einstelleinrichtung Einfluss
auf die Ausdehnung des Inertgaspolsters und damit auf die Wärmetransportleistung
des Wärmerohrs genommen werden. So kann es beispielsweise
bei Einsatz des Wärmerohrs in dem eingangs erläuterten
Dampfreformer gewünscht sein, die Leistung des Wärmerohrs
zu drosseln, wenn der angeschlossene Speicher für das erzeugte
Synthesegas voll wird oder wenn der Reformer im Teillastbetrieb betrieben
wird.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
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Im
Folgenden sollen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
einige Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert
werden. Es zeigt:
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1 eine
Querschnittsansicht des Wärme abgebenden Endes eines Wärmerohrs
gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung;
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2 eine
der 1 entsprechende Ansicht einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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3 eine
den 1 und 2 entsprechende Ansicht eines
Wärmerohrs gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung.
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Zunächst
wird Bezug genommen auf 1, in der ein Wärmerohr
bzw. dessen Wärme abgebendes, oberes Ende gezeigt ist.
Das Wärmerohr weist eine allgemein mit 2 bezeichnete
Rohrhülle auf, welche aus einem hohlzylindrischen Metallrohr 5 besteht,
welches mit einem Deckel 7 verschweißt ist. Der
Deckel 7 und ein von der Rohrhülle umschlossenes
Volumen bzw. Inneres 3 ist dabei von einem koaxial angeordneten
Tauchrohr 22 durchdrungen, in dem ein Heizstab 20 angeordnet
ist. Der Heizstab 20 weist dabei elektrische Anschlüsse 29 auf
und ist ebenfalls koaxial in das Tauchrohr 22 geführt
und kann von der Wand des eine Heizwiderstandshülle bildenden
Tauchrohrs 22 soweit beabstandet sein, dass sich eine elektrisch
isolierende Gasschicht zwischen dem Heizwiderstand 20 und
dem Tauchrohr 22 einstellt. In der Praxis hat es sich jedoch
gezeigt, dass der Heizstab sinnvoller Weise selber nach außen
elektrisch isoliert ist, beispielsweise mit einer keramischen Ummantelung,
so dass er auch mit der Rohrhüllenwand in Berührung
kommen kann.
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Wird
nun das Wärmerohr wie schon eingangs beschrieben mit seinem
Wärme abgebenden Ende in einer wasserstoffreichen Umgebung
(z. B. in einem Dampfreformer) betrieben, so bildet sich dort in
seinem Inneren 3 ein Inertgaspolster H2,
welches an einer Trenngrenze an den Wärmeträgermediumskreislauf
grenzt und somit die zum Wärmetransport über das
Wärmerohr zur Verfügung stehende Länge verringert.
Wird nun der Heizstab 20 über seine Stromanschlüsse 29 stromversorgt,
so dass er eine entsprechende Heizleistung abgibt, um die Rohrhülle 2 im
Bereich des Inertgaspolsters H2 über
die Umgebungstemperatur des Wärme abgebenden Ende des Wärmerohrs
hinaus aufzuheizen, so wird die metallische Rohrhülle für
molekularen Wasserstoff durchlässiger, so dass dieser aufgrund
des Partialdruckgefälles zwischen dem Inertgaspolster H2 und der Umgebung des Wärmerohrs
(z. B. in einer Dampfreformerkammer) verstärkt ausgetrieben
wird.
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Die
Eintauchtiefe des Heizwiderstands 20 kann dabei so eingestellt
sein, dass sie in etwa einer abgeschätzten Lage der Trenngrenze
entspricht. Vorteilhaft wird die Lage der Trenngrenze jedoch bestimmt,
erfasst oder gemessen, um die Eintauchtiefe entsprechend einstellen
zu können. Dabei ist auch zu Berücksichtigen,
dass bei Beheizung der Rohrhülle 2 des Wärmerohrs
die Ausdehnung des Inertgaspolsters H2 einerseits
zwar durch die höhere Temperatur größer
wird, andererseits durch die verstärkte Abfuhr von Wasserstoff
sinkt, so dass der Heizstab 20 im laufenden Betrieb immer
weiter aus dem Wärmerohr herausgezogen werden könnte,
bis die Eindiffusion in das Wärmerohr gleich der Ausdiffusion
in der beheizten Zone ist.
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Andererseits
könnte auch ein in seiner Lage zwar fest eingebauter Heizstab
vorgesehen sein, welcher aber mit in seiner Heizleistung abgebenden Länge
schaltbaren Einzelabschnitten versehen ist, die mit einem Ansteigen
der Trenngrenze von unten nach oben selektiv abgeschaltet werden
könnten.
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In 2 ist
eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Dort
ist anstatt eines stabförmigen Heizwiderstands ein um einen
hohlzylindrischen Kernabschnitt 123 herumgewendelter Heizdraht 120 vorgesehen,
um eine insgesamt mit 102 bezeichnete Rohrhülle
des Wärmerohrs am Wärme abgebenden Ende zu beheizen.
Der Heizdraht 102 ist dabei mit elektrischen Anschlüssen 129 versehen und
mit einer Isolierschicht bezogen. Die Rohrhülle 102 besteht
wiederum aus einem mit einem Deckel 107 verschweißten
Rohr 105. Der Deckel 107 ist dabei einstückig
mit einem Tauchrohrabschnitt 122 ausgebildet, welcher den
Heizdraht 120 außenumfangsseitig umgibt und mit
einem Deckelabschnitt 124 der Heizwiderstandshülle 122, 123, 124, 128 sowie
einem hohlen Kernabschnitt 123, 128 die Heizwiderstandshülle 122, 123, 124, 128 bildet.
Der hohle Kernabschnitt 123, 128 ist dabei bis
in einen aus der Rohrhülle 102 ragenden Bereich
herausgeführt und dort mit einem aufgeschweißtem
Deckel 128 verschlossen. Auf diese Weise gelingt eine Vergrößerung
der für die Rückdiffusion des Wasserstoffs aus dem
Inertgaspolster H2 zur Verfügung
stehenden Fläche, so dass bei Heizleistungsabgabe durch
den über seine Stromversorgungsanschlüsse 129 betriebenen
Heizdraht 120 eine verstärkte Rückdiffusion von
Wasserstoff aus dem Inertgaspolster H2 in
die das Wärme abgebende Ende des Wärmerohrs umgebende
Reformerkammer beobachtet werden kann. Dadurch wird eine Verschiebung
der mit T bezeichneten Trenngrenze zwischen dem Inertgaspolster
H2 und dem zirkulierenden Wärmeträgermedium 1 nach oben
hin und dadurch insgesamt eine Wirkungsgradsteigerung der Wärmetransportleistung
des Wärmerohrs erzielt.
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Schließlich
wird auf 3 Bezug genommen, in der das
Wärme abgebende Ende eines Wärmerohrs gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt ist, welches
mit einer Wasserstoff-Abzugskappe 10 versehen ist, die
stoßweise oder kontinuierlich evakuiert wird, um das Partialdruckgefälle
zwischen dem Rohrinneren 3 und dem von der Kappe 10 umschlossenen
Volumen weiter zu erhöhen. Die Rohrhülle 2 des
in der 3 gezeigten Wärmerohrs weist dabei einen
der 1 entsprechenden Aufbau auf und wird am Deckel
ebenfalls mit einem dort verschweißten Tauchrohr durchdrungen,
welches einen mit Abstand zur Wand des Tauchrohrs eingeführten
Heizstab 220 aufnimmt. Der Heizstab 220 ist dabei
mit einer durch einen Doppelpfeil angedeutete Höheneinstelleinrichtung 40 versehen, beispielsweise über
einen außerhalb der Kappe 10 angeordneten, steuerbaren
Schneckentrieb oder dergleichen. Bevorzugt durchdringt der Heizstab 220 ein
T-förmiges Rohrstück 25 der Kappe 10,
welches über ein Abzugsrohr 26 oben auf die Kappe 10 aufgesetzt
ist. Das T-Rohrstück 25 weist neben der höhenverstellbaren
Aufhängung des Heizstabs 220 in Form eines Klemmrings
auch einen Auslassrohrabschnitt für den in der Kappe anfallenden
Wasserstoff auf, welcher mit 27 bezeichnet ist. Der Heizstab 220 weist
dabei ferner integrierte Temperaturmessstellen 30 auf und
ist in einen Heizmodus und in einen Temperaturmessmodus schaltbar.
Vor dem Anschalten der Stromzufuhr für den Heizstab kann
die Temperatur an den einzelnen Temperaturmessstellen 30 und damit
in Abhängigkeit davon die Ausdehnung des Inertgaspolsters
bzw. die Lage der Trenngrenze zwischen dem Inertgaspolster und dem
Wärmeträgermedium 1 zumindest in etwa
bestimmt werden, welche temperaturabhängig ist, wie durch
die drei mit T1, T2 und T3 bezeichneten Lagen der Trenngrenze T
bei verschiedenen Temperaturen angedeutet ist.
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Abweichungen
und Modifikationen von den dargestellten Ausführungsformen
sind denkbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 00/77128
A1 [0003]
- - WO 2007/113311 A1 [0006]
- - WO 2007/11331 A1 [0012]