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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen flüssigkeitsgekühlten Bremswiderstand.
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Im Bereich der Antriebstechnik kann überschüssige Bremsenergie in Bremswiderständen umgesetzt werden- kinetische Energie wird also beispielsweise von einer generatorischen Bremse in elektrische Energie umgewandelt, und diese wird in einem gekühlten Bremswiderstand umgesetzt - der Widerstand agiert sozusagen als Verbraucher, wandelt die elektrische Energie in Wärmenergie um, welche dann entsprechend abgeführt werden muss, um eine lokale Überhitzung des Bremswiderstands zu vermeiden. Ein solcher Bremswiderstand muss eine entsprechende Spannungsfestigkeit, eine hinreichend große Druckstabilität und eine Leistungsbeanspruchung aufweisen können, um für den Einsatz tauglich zu sein.
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Bremswiderstände kommen beispielsweise in E-Trucks und E-Bussen (Lastwagen & Busse mit Elektromotoren) zum Einsatz, aber auch im Schienenfahrzeugbereich und in anderen Antriebskonzepten können Bremswiderstände eingesetzt werden, insbesondere in solchen Antriebskonzepten, wo geringe Bauräume und Schallemissionsgrenzen vorhanden sind.
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Im Stand der Technik sind vielzählige luftgekühlte Bremswiderstände vorhanden, diese erfordern allerdings ein entsprechendes Belüftungssystem und daher entsprechend großen Bauraum.
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Im Stand der Technik sind auch verschiedene Bauformen von flüssigkeitsgekühlten Bremswiderständen bekannt. Beispielsweise kann ein Aktivelement, d.h. der eigentliche elektrische Widerstand, in einem Aluminiumgehäuse oder Rohrheizkörper eingebettet werden, das Kühlmedium hat dann keinen direkten Kontakt zum Widerstand sondern wird durch Bohrungen im Aluminiumgehäuse geführt, wo es den Widerstand abkühlen kann. Auch können Rohrheizkörper in einen geschlossenen Behälter eingesetzt werden, und der geschlossene Behälter wird entsprechend gekühlt. Ferner sind flüssigkeitsgekühlte Bremswiderstände in modularer Bauweise möglich, und der eigentliche Widerstand, also das Aktivelement, kann in einem Strömungskanal des Gehäuses eingebettet werden. Die elektrische Isolation zwischen Kühlmittel und Aktivelement kann beispielsweise durch eine Silikonummantelung realisiert werden. Bei der Bauform, in welcher das Aktivelement in einem Rohrheizkörper isoliert wird, ist der Rohrheizkörper isoliert und wasserdicht aufgebaut. Das Kühlmittel kann dann den Rohrheizkörper umströmen und Wärme entsprechend abführen.
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Im Dokument
EP 2 592 633 A1 ist beispielsweise ein flüssigkeitsgekühlter Bremswiderstand offenbart, welcher einen Block, einen Flüssigkeitseinlass, einen Flüssigkeitsauslass und einen Hohlraum aufweist. Der Hohlraum weist eine offene Seite auf, die durch eine thermisch leitende, aber elektrisch isolierende flache Schicht abgeschlossen ist. Diese flache Schicht stützt einen flachen Widerstand, die Hauptebenen sind parallel zueinander ausgerichtet. Der Hohlraum ist mit einem Flüssigkeitsströmungsweg zwischen dem Flüssigkeitseinlass und dem Flüssigkeitsauslass versehen, und im Hohlraum sind elastisch Pressmittel untergebracht, die so ausgelegt sind, dass die flache Schicht gegen den Widerstand gepresst wird. Die elastischen Mittel weisen eine Vielzahl von Federn auf, die im internen Flüssigkeitsströmungsweg des Blocks angeordnet sind. Hier wird das Aktivelement von einer Isolierung, vornehmlich Silikon, geschützt. Die zulässige Impulsfestigkeit beschränkt sich auf die zulässige Silikontemperatur (<250°C) und das Energieaufnahmevermögen des Aktivteils
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Das Kühlmittel wird mäanderförmig am isolierten Aktivelement entlanggeführt, um eine ausreichende Wärmeabgabe zu erzeugen. Ein solcher Strömungsverlauf verursacht allerdings einen hohen Druckverlust, welcher durch die elastischen Elemente noch weiter verstärkt wird. Aufgrund der flächigen Bauform ist zudem nur eine geringe Druckstabilität des Gehäuses gegeben.
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Dokument
CN 206541682 U offenbart einen Leistungswiderstand mit niedrigem Widerstand mit einer Glasur, der ein Porzellanrohr umfasst, wobei die beiden Enden des Porzellanrohrs fest mit der Ausgangsklemme verbunden sind und das Legierungsband für den elektrischen Widerstand der Oberflächenwicklung des Porzellanrohrs mit der Ausgangsklemme verbunden ist
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Dokument
DE 20 2009 005 664 U1 offenbart einen Lastwiderstand mit wenigstens einem als Widerstandswendel ausgebildeten Widerstandselement, welches mit von außen zugänglichen Versorgungsanschlüssen versehen und von einer elektrischen Isolierung umschlossen in einer Widerstandskammer eines metallenen Kühlkörpers angeordnet ist. Die Widerstandskammer weist eine sie umschließende Kammerwand auf, mit welcher die Isolierung direkt oder über einen die Isolierung umschließenden Metallmantel großflächig in thermischem Kontakt steht.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bremswiderstand bereitzustellen, welcher eine hohe Druckstabilität, einen geringen internen Druckverlust, eine hohe Spannungsfestigkeit und eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Bremswiderstand bereitzustellen, in welchem ein Kühlmittel aufgrund der hohen Betriebsdrücke auf einem hohen Temperaturniveau betrieben werden kann, ohne dass hier Verdampfung eintritt. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine hohe Impulsfestigkeit durch die Ausnutzung eines breiten Temperaturbereiches (bis 600°C) am elektrischen Leiter und der thermischen Kapazität des Rohres
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Diese Aufgabe wird gelöst von einem kühlbaren Widerstand gemäß Anspruch 1 sowie einem System gemäß Anspruch 11.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erfindungsgemäßer kühlbarer Widerstand umfasst ein Rohr sowie eine elektrisch leitende Vorrichtung, welche sich entlang des Rohrs erstreckt,
und eine elektrisch isolierende Schicht, welche zwischen der äußeren Oberfläche des Rohrs und der elektrisch leitenden Vorrichtung aufgebracht ist. Die elektrisch isolierende Schicht besteht aus Keramik, gesinterter Keramikpaste oder einem keramischen Verbundwerkstoff. Diese kann durch thermisches Spritzen von Keramik, das Sintern von Keramikpasten oder ähnlichen Isoliermaterialien aufgebracht werden.
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Keramiken haben besonders gute wärmeleitenden Eigenschaften. Die Materialien für die elektrisch isolierende Schicht sind so ausgelegt, dass thermische Spannungen zu keiner Rissbildung führen. Die elektrisch isolierende Schicht trennt das Rohr und die elektrisch leitende Vorrichtung elektrisch voneinander, hat jedoch eine gute Wärmedurchlässigkeit, damit der Wärmestrom aus der elektrisch leitenden Vorrichtung in das Rohr effizient übertragen werden kann, welcher im Rohr dann vom durchströmenden Kühlmittel konvektiv aufgenommen wird.
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Die elektrisch isolierende Schicht, welche zwischen der äußeren Oberfläche des Rohrs und der elektrisch leitenden Vorrichtung aufgebracht ist, sorgt ferner dafür, dass kein elektrischer Strom in das Rohr fließt.
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Somit können Leistungsspitzen auch oberhalb der Dauerleistung kompensiert werden. Ferner können die dem Widerstand nachfolgenden Aggregate, wie Wärmetauscher, Pumpe und Kühlmittelvorrat so ausgelegt werden, dass nur eine mittlere Dauerleistung abgeführt werden muss. Dies führt zu kleineren Gesamtsystemen und Kostenersparnissen. Insbesondere im Bahnbereich sind die zyklischen Belastungen von großer Bedeutung
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Die elektrisch isolierende Schicht liegt formschlüssig am Rohr an.
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Dadurch wird eine thermisch isolierende Zwischenschicht minimiert.
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Vorzugsweise ist an der Innenseite des Rohrs mindestens eine Kühlrippe angebracht. Die im Rohrinneren befindliche mindestens eine Kühlrippe erzeugt eine vergrößerte Oberfläche, mit welcher das Kühlmittel in Kontakt kommt. Dadurch kann ein hinreichend großer Wärmestrom aufgenommen werden, welcher von der elektrisch leitenden Vorrichtung erzeugt wird.
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Dies sorgt beim Vorsehen von mehreren radial verlaufenden Kühlrippen, die sich vorzugsweise von radial außen nach innen erstrecken zu einem sternförmigen Querschnitt des Inneren des Rohres, wodurch größere Oberflächen entstehen, mit welchen die Kühlflüssigkeit in Kontakt kommt. Entsprechend besser ist auch die Wärmeaufnahme durch das Kühlmittel, da sowohl die Wärmeleitung als auch der konvektive Wärmeübergang von der zur Verfügung stehenden Fläche abhängen.
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Vorzugsweise ist das Rohr aus Aluminium oder einer aluminiumhaltigen Legierung gefertigt. Ein solches Material leitet die Wärme ohne hohen thermischen Widerstand an das Kühlmittel weiter.
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Vorzugsweise ist im Inneren des Rohrs ein Kanal mit vorzugsweise im wesentlichen runden Querschnitt vorgesehen, und angrenzend an den Kanal sind radial mehrere Taschen vorgesehen, welche durch mindestens eine Kühlrippe begrenzt bzw. von ihr ausgebildet werden.
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Dies sorgt beim Vorsehen von mehreren radial verlaufenden Kühlrippen, die sich vorzugsweise von radial außen nach innen erstrecken, zu einem sternförmigen Querschnitt des Inneren des Rohres, wodurch größere Oberflächen entstehen, mit welchen die Kühlflüssigkeit in Kontakt kommt. Entsprechend besser ist auch die Wärmeaufnahme durch das Kühlmittel, da sowohl die Wärmeleitung als auch der konvektive Wärmeübergang von der zur Verfügung stehenden Fläche abhängen. Ferner ist der kühlbare Widerstand auch druckstabil, indem weitestgehend kreisförmige Querschnitte für den Kanal verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Bauform ermöglicht hohe Temperaturen in oder rund um die elektrisch leitende Vorrichtung, beispielsweise bis zu 600°C. Durch die hohe Temperaturspreizung zwischen der elektrisch leitenden Vorrichtung und dem Kühlmittel, d.h. hohen Temperaturdifferenz, kann ein sehr hoher Wärmestrom an das Kühlmittel abgegeben werden, da der Wärmestrom von der Temperaturdifferenz abhängt. Eine einfache lineare Strömungsführung im kühlbaren Widerstand gewährleistet einen sehr guten Wärmeübergang, und ein Kühlmittel kann aufgrund der sehr hohen zulässigen Betriebsdrücke weit über den üblichen Zieltemperaturen betrieben werden. Partielle Überhitzungen können so vermieden werden.
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Weiter vorzugsweise ist im Kanal ein Turbulator vorgesehen, welcher noch weiter vorzugsweise spiral- oder helixförmig ausgebildet ist. Der Turbulator kann aber auch als Vollstab ausgebildet sein. Dieser Turbulator sorgt dafür, dass sich im Inneren des Rohrs eine verstärkte turbulente Strömung einstellt, welche auch entsprechende Verwirbelungen hervorruft. Eine turbulente Strömung ruft verglichen mit einer laminaren Strömung einen besseren konvektiven Wärmetransport hervor. Der Turbulator sorgt insbesondere dafür, dass der Turbulenzgrad weiter erhöht wird und vor allem aber auch makroskopische Querströmungen induziert werden, die zu einer entsprechenden Vermischung des Fluides führen und die sich bildenden thermischen Grenzschichten gestört werden, sodass dadurch der Wärmeübergang verbessert wird.
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Eine Schichtdicke der elektrisch isolierenden Schicht ist je nach Isolationsanforderung aufgebracht und weist einen sehr geringen Wärmedurchlasswiderstand auf, welcher insbesondere durch keramische Verbundwerkstoffe erzielt werden kann. Die Schichtdicke der elektrisch isolierenden Schicht beträgt 50 - 500 µm. Die Wärmeleitfähigkeit des Materials der elektrisch leitenden Schicht liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 W/mK, weiter vorzugsweise bei 1 W/mK.
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Weiter vorzugsweise weist die elektrisch leitende Vorrichtung einen elektrisch leitenden Draht auf, welcher auf die elektrisch isolierende Schicht gewickelt ist. Vorzugsweise ist der Draht niederinduktiv kreuzgewickelt, er kann aber auch regulär gewickelt sein, wie dies bei einer Spule der Fall wäre. Die elektrisch leitende Vorrichtung könnte auch durch Siebdruckverfahren aufgebracht werden, wobei entsprechende Pasten aufgebracht und gesintert werden müssten.
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Hierdurch wird ermöglicht, dass auch die elektrisch leitende Vorrichtung eine möglichst große Oberfläche aufweist, welche entsprechend gut Wärme an das Rohr abgeben kann, welches die Wärme wiederum aufnimmt und dann konvektiv an ein durchströmendes Kühlmedium weitergibt.
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Vorzugsweise ist an beiden Enden der elektrisch leitenden Verbindung eine Verbindungsvorrichtung vorgesehen, über welche die elektrisch leitende Vorrichtung an einem Generator anschließbar ist. Vorzugsweise sind die beiden Verbindungsvorrichtungen, welche an jedem Ende der elektrisch leitenden Vorrichtung vorhanden sind, als Rohrschellen ausgebildet. Dies ist eine besonders einfache Form des Anschlusses eines Generators. Die Rohrschellen können dann einen Verbindungsabschnitt aufweisen, an welchen ein Kabel beispielsweise angelötet werden kann.
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Vorzugsweise ist die elektrisch leitende Vorrichtung in eine hochtemperaturstabile Schicht eingebettet, welche vorzugsweise aus Zement, Keramik oder einem Verbundwerkstoff besteht. Dies stellt sicher, dass die Schicht bei hohen Temperaturen nicht schmilzt oder Schäden am gesamten Widerstand hervorruft.
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Vorzugsweise ist die hochtemperaturstabile Schicht von einem Isoliermantel umgeben, welcher vorzugsweise mindestens ein mechanisch stabilisierendes Element aufweist. Der Isoliermantel soll die Wärmeabgabe an die Umgebung verhindern und sicherstellen, dass nahezu der gesamte Wärmestrom an das Rohr und somit an das Kühlmittel abgegeben wird. Ein mechanisch stabilisierendes Element sorgt dafür, dass der Isoliermantel stabil ist und Beschädigungen vermieden werden. Das mechanisch stabilisierende Element kann beispielsweise ein Glasseidenschlauch sein, welcher über den Isoliermantel gezogen ist.
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Ein erfindungsgemäßes System weist mindestens zwei kühlbare Widerstände auf, wobei die kühlbaren Widerstände parallel angeordnet sind, wobei ein erstes Anschlussrohr jeweils mit einem Ende der kühlbaren Widerstände verbunden ist und somit ein Zulaufrohr bildet, und ein zweites Anschlussrohr jeweils mit dem anderen Ende der kühlbaren Widerstände verbunden ist und sozusagen als Ablaufrohr dient. Dadurch wird ein modularer Aufbau ermöglicht, so dass je nach Bedarf mehrere kühlbare Widerstände parallelgeschaltet werden können, vorzugsweise auch je nach Betriebsart dynamisch gesteuert. Die Einzelwiderstände können in Reihe oder parallel geschaltet werden.
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Weiter vorzugsweise sind Rohre parallel zum Kühlkreislauf verschaltet sind hydraulisch abgeglichen (abgleichbar über die Blendengröße am Eintritt/Austritt des Widerstandsrohres), um eine maximale Kühlmittelspreizung im einzelnen Widerstandsrohr zu ermöglichen. Aufgrund der Querschnittsverengung im kühlbaren Widerstand, welcher insbesondere durch die Kühlrippen hervorgerufen wird, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit, und der Wärmeübergang wird verbessert. Ein eventuell auftretender partieller Druckanstieg im Rohr und führt zusätzlich zu einer Strömungsvergleichmäßigung zwischen den einzelnen Rohren, so dass auf einen hydraulischen Abgleich sogar gegebenenfalls verzichtet werden kann.
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Unerwünschte Wärmeausdehnungen im Rohr können durch geeignete Auswahl von Materialien für die elektrisch leitende Vorrichtung und die elektrisch isolierende Schicht entsprechend ausgesucht werden, so dass sichergestellt wird, dass keine Risse oder ähnliche Beschädigungen auftreten.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben.
- 1 zeigt einen erfindungsgemäßen kühlbaren Widerstand in isometrischer Ansicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine isometrische Ansicht einer Anordnung mehrerer kühlbarer Widerstände gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt eine isometrische Ansicht eines Turbulators.
- 4 zeigt eine isometrische Ansicht eines Rohrs, in dessen Innenseite entsprechend ein Turbulator eingesetzt ist.
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In 1 ist eine Explosionsansicht und isometrische Ansicht eines erfindungsgemäßen kühlbaren Widerstands W gezeigt. Im Innersten dieser Anordnung ist ein entsprechendes Rohr 1 zu sehen, welches im vorliegenden Fall zylindrisch ausgebildet ist. Im Inneren des Rohrs 1 sind mehrere Kühlrippen 2a radial rund um den inneren Umfang des Rohrs 1 angeordnet, die sich nach radial innen erstrecken und zwischen den Kühlrippen 2a entsprechenden Taschen 2b ausbilden. Die Kühlrippen 2a erstrecken sich nicht ganz bis zur Mitte des Rohres 1, weswegen in der Mitte ein zylindrischer Kanal 2b mit kreisförmigem Durchschnitt verbleibt. Um das Rohr ist eine elektrisch isolierende Schicht 3 angeordnet. Hierauf ist eine hochtemperaturstabile Schicht 5a angeordnet, in welcher die elektrisch leitende Vorrichtung (hier nicht gezeigt) eingebettet ist. Ferner ist eine Verbindungsvorrichtung 4 zu sehen, welche in diesem Fall als Rohrschelle ausgebildet ist. Diese ist mit der elektrisch leitenden Vorrichtung hier nicht gezeigt) verbunden, und eine Verbindungsvorrichtung 4 ist weiterhin an einem Anschlussabschnitt 10 vorgesehen, mit welchem ein elektrischer Generator verbunden werden kann. Als äußerste Schicht ist ein Isoliermantel 6 aufgebracht, welcher eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und dafür sorgt, dass der Wärmestrom, welcher von der elektrisch leitenden Vorrichtung generiert wird, in Richtung des Rohrs geleitet wird, wo er dann konvektiv an das Kühlmittel übertragen werden kann. Im Isoliermantel 6 ist mindestens ein mechanisch stabilisierendes Element (hier nicht gezeigt) vorgesehen.
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2 zeigt eine Verschaltung mehrerer kühlbaren Widerstände W als sogenannter Stack 7. Jeder der Widerstände weist zwei Anschlussabschnitte 10 auf, mit welchen ein entsprechender Generator verbunden werden kann. Insgesamt sind hier fünf Widerstandsbaugruppen W entsprechend parallel verschaltet. Ein erstes Anschlussrohr 8 verbindet eine Seite jedes kühlbaren Widerstands W, und ein zweites Anschlussrohr 9 verbindet jeweils die andere Seite der fünf kühlbaren Widerstände W. So kann sich eine konstante Durchströmung aller kühlbaren Widerstände W einstellen. Die Position des erstes Anschlussrohrs 8 und zweiten Anschlussrohrs 9 ist grundsätzlich frei wählbar.
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3 zeigt einen Turbulator 12, welcher als spiral- bzw. helixförmig verdrilltes Blech ausgestaltet ist. Dieser Turbulator 12 dient dazu, wenn er axial angeströmt wird, die Strömung entsprechend zu verwirbeln, so dass nicht nur eine axiale Strömungskomponente, sondern auch eine radiale bzw. verwirbelnde oder drehende Strömungskomponente vorhanden ist. Je nach Leistungsanforderung könnte der Turbulator auch als einfacher Stab ausgeführt sein.
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4 zeigt eine Anordnung des Turbulators 12 innerhalb des Rohrs 1. Rund um den Kanal 2b sind mehrere Kühlrippen 2a angeordnet, und zwischen den Kühlrippen 2a werden dadurch mehrere Taschen 2c ausgebildet. Der Turbulator ist hier im Kanal 2b vorgesehen, kann aber auch in die Taschen 2 c hineinragen. Der Turbulator 12 dient dazu, eine turbulente Strömung zu erzeugen, welche für den konvektiven Wärmeüberganz zwischen Rohr 1 und durchströmendem Kühlmittel vorteilhafter ist als eine laminare Strömung.
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Das Rohr 1 muss keinen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, dieser könnte beispielsweise auch elliptisch, quadratisch, rechteckig oder polygonal sein.
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Ferner sind statt der Kühlrippen auch andere Einbauten in das Rohr möglich, welche eine andere Form aufweisen können, beispielsweise Stäbe, Drähte oder sonstige Vorrichtungen.
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Bezugszeichenliste
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- W
- kühlbarer Widerstand
- 1
- Rohr
- 2a
- Kühlrippe
- 2b
- Kanal
- 2c
- Tasche
- 3
- elektrisch isolierende Schicht
- 4
- Verbindungsvorrichtung / Schelle
- 5a
- hochtemperaturstabile Schicht
- 6
- Isoliermantel
- 7
- Stack
- 8
- erstes Anschlussrohr
- 9
- zweites Anschlussrohr
- 10
- Anschlussabschnitt
- 12
- Turbulator
