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Die Erfindung betrifft ein Wärmerohr gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Transport von Wärme gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 23.
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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 Problem, 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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Die europäische Patentanmeldung
EP 0 469 260 A1 offenbart ferner Wärmerohre, an deren Verdampferenden eine Wasserstoffsammelkammer anschließt, welche beheizt wird, um die Ausdiffusion von Wasserstoff aus der Heatpipe zu verbessern.
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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, wobei der Heizwiderstand am Wärme abgebenden Ende in die Rohrhülle hineinragt, und das Wärmerohr 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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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
WO 2007/113311 A1 vorgeschlagen worden ist. Auf die dortige Offenbarung wird insofern zur vorteilhaften Weiterbildung der hier vorliegenden Erfindung vollinhaltlich Bezug genommen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann 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 Wärmeträgermedium 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 120 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.
