DE1186954B

DE1186954B - Anode for high power electrical discharge vessels with boiling cooling

Info

Publication number: DE1186954B
Application number: DES74592A
Authority: DE
Inventors: Arno Buchwald; Hartmut Ganswindt; Dipl-Ing Werner Seifarth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-06-30
Filing date: 1961-06-30
Publication date: 1965-02-11
Also published as: SE310393B; GB969599A

Description

Anode fürelektrische Entladungsgefäße großer Leistung mit Siedekühlung Die Erfindung betrifft eine Anode für ein elektrisches Entladungsgefäß großer Leistung, die einen Teil der Gefäßwand bildet und zum Zweck der Siedekühlung in ihrer Wandung eine Vielzahl von in der Betriebsstellung lotrechten Kühlkanälen aufweist, die oben und unten offen und ringsherum mit solcher Wandstärke umgeben sind, daß dem Kühlmittel von allen Umfangsrichtungen her in einer zur Dampfentwicklung ausreichenden Menge Wärme zugeführt wird, und die ferner in ihrem äußeren, dem Vakuumraum abgewandten Teil in bestimmten Abständen ringförmige und/oder längserstreckte zusätzliche, zum Anodenaußenrand hin offene Einschnitte besitzt.Anode for high-performance electrical discharge vessels with evaporative cooling The invention relates to an anode for an electrical discharge vessel of high power, which forms part of the vessel wall and for the purpose of evaporative cooling in its wall has a plurality of vertical cooling channels in the operating position, the top and are open at the bottom and surrounded all around with such a wall thickness that the coolant from all circumferential directions in an amount sufficient to generate steam Heat is supplied, and also in its outer, facing away from the vacuum space Part at certain intervals annular and / or elongated additional, for Has incisions open towards the outer edge of the anode.

Es ist bekannt, die einen Teil der Gefäßwand eines elektrischen Entladungsgefäßes bildende Anode dadurch zu kühlen, daß diese in die kühlende Flüssigkeit, in den meisten Fällen Wasser, mehr oder weniger tief eintaucht und dabei bewußt die Flüssigkeit zum Verdampfen gebracht wird. Die zum Verdampfen benötigte erhebliche Wärmemenge wird dazu der zu kühlenden Wand des Entladungsgefäßes entzogen. Die dabei sich bildenden Dampfblasen steigen, nachdem sie sich mehr oder weniger ablösen, an der Wandung empor. Bei einer glatten zylinderförmigen Anodenwand bildet sich dabei schon bei niedrigen Anodenbelastungen das sogenannte Leidenfrostsche Phänomen aus, d. h., durch die Ausbildung einer isolierenden Dampfhaut unmittelbar an der Gefäßwandung der Anodenaußenfläche wird der Wärmeaustausch zwischen Anodenwandung und Flüssigkeit stark reduziert und somit die Kühlung mehr oder weniger unwirksam gemacht. Durch die Wahl einer von der normalen glatten Form abweichenden Anodenform wird derart eine zweckmäßige Strömung im Kühlmedium erreicht, daß durch das sofortige Abreißen der sich bildenden Dampfblasen nach ihrer Entstehung das Einsetzen des Leidenfrostschen Phänomens verhindert bzw. in den Bereich viel höherer Anodenbelastungen (Temperaturen) verschoben wird: Eine solche verbesserte Wirkung gegenüber Anoden mit glatter Wandung wird durch angebrachte (eingearbeitete) Rippen oder Höcker auf der Anodenwand erzielt. Es ist weiter bekannt, daß durch Einfügen von parallel zur Anodenachse verlaufenden, oben und unten offenen Kühlkanälen in der Anodenwand als eine andere besondere Anodenform eine gegenüber der vorstehend beschriebenen Kühlung wesentlich verbesserte Kühlwirkung, die sogenannte Kanalkühlung, erzielt werden kann. Diese Einrichtung besitzt gegenüber den vorher erwähnten Anordnungen vor allem den wesentlichen Vorteil, daß die Kühlkanäle von einem gut kühlenden turbulenten Dampf-Wasser-Gemisch durchströmt werden und daß dabei der Effekt des Leidenfrostschen Phänomens sowie damit in Zusammenhang stehende stoßartige Erschütterungen unterbunden werden.It is known that part of the vessel wall of an electrical discharge vessel to cool forming anode in that it is in the cooling liquid in the Most of the cases water, more or less deeply immersed and thereby consciously the liquid is made to evaporate. The considerable amount of heat required for evaporation is withdrawn from the wall of the discharge vessel to be cooled. The ones that are formed in the process After they have more or less detached, vapor bubbles rise on the wall up. In the case of a smooth, cylindrical anode wall, at low anode loads, the so-called Leidenfrost phenomenon, d. H., through the formation of an insulating vapor skin directly on the vessel wall the anode outer surface is the heat exchange between the anode wall and the liquid greatly reduced and thus made the cooling more or less ineffective. By the choice of an anode shape other than the normal smooth shape becomes such an appropriate flow in the cooling medium achieved that by the immediate tearing off of the vapor bubbles that form, the onset of the Leidenfrost after their formation Phenomenon prevented or in the area of much higher anode loads (temperatures) is shifted: Such an improved effect compared to anodes with smooth walls is achieved by attached (incorporated) ribs or bumps on the anode wall. It is also known that by inserting parallel to the anode axis, cooling channels open at the top and bottom in the anode wall as another special anode shape a significantly improved cooling effect compared to the cooling described above, the so-called channel cooling, can be achieved. This facility owns opposite the above-mentioned arrangements especially the significant advantage that the cooling channels be flowed through by a well cooling turbulent steam-water mixture and that this is the effect of the Leidenfrost phenomenon and in connection with it standing jerky vibrations are prevented.

Es ist deshalb von der erwähnten Kühlung, bei der die Anode Rippen oder Höcker trägt, eine Abwandlung bekanntgeworden, bei der entweder die an sich offenen Furchen durch eine relativ dünne geschlossene Zylinderwand, sei es durch einen besonderen Blechmantel oder durch einen dünnwandigen Teil derAnodenwand selber, geschlossen worden sind oder bei der in den äußeren Teil geschlossene oder auch nach außen hin offene Kanäle, Löcher od. dgl. eingefügt sind, ohne daß dadurch eine wirkliche Siedekühlung mittels Kühlkanälen erreicht wird. Durch diese Maßnahme wird nämlich die Kühlwirkung verändert, indem die zusätzlich eingefügten Kanäle, Löcher od. dgl. selber mit am Kühlvorgang teilnehmen. Das Wesen der bekannten Maßnahme besteht somit in einer Erhöhung der Furchenstruktur bzw. in einer Kombination einer solchen Kühlung mit einer teilweisen Kanalkühlung, ohne jedoch die Güte einer Kanalkühlung zu erreichen.It is therefore from the mentioned cooling in which the anode fins or hump wears, a modification has become known in which either the per se open furrows through a relatively thin closed cylinder wall, be it through a special sheet metal jacket or a thin-walled part of the anode wall itself, have been closed or closed in the outer part or also Outwardly open channels, holes or the like. Are inserted without thereby a real evaporative cooling is achieved by means of cooling channels. This measure will namely the cooling effect is changed by the additionally inserted channels, holes or the like. Participate in the cooling process yourself. The essence of the known measure thus consists in an increase in the furrow structure or in a combination of one such cooling with partial channel cooling, but without the quality of channel cooling to reach.

Bei der Siedekühlung mit Kühlkanälen wird bekanntermaßen durch den geschlossenen Umfang der Wandung bei genügend stark gewählten Wandstärken erreicht, daß eine Dampfblasenbildung - eine Normalbelastung der betreffenden Anode zugrunde gelegt - etwa gleichmäßig am Umfang verteilt ohne nennenswertes Wachstum der sich bildenden Blasen stattfindet.In the case of evaporative cooling with cooling channels, it is known that the closed circumference of the wall achieved with sufficiently strong wall thicknesses selected, that a vapor bubble formation - a normal load of the anode in question is based placed - roughly evenly distributed around the circumference without significant growth of the itself forming bubbles takes place.

Durch das Ablösen der Wasserdampfblasen im Zusammenwirken mit dem herrschenden hydrostatischen Druck setzt eine erhebliche Strömung eines sich dabei ausbildenden Dampf-Wasser-Gemisches ein, wodurch erreicht wird, daß an den Wandungen der Kühlkanäle stets eine ausreichende Wassermenge zum Umsetzen in Dampf durch die,-herangeführte abzuführende Wärmemenge vorhanden ist.By releasing the water vapor bubbles in cooperation with the prevailing hydrostatic pressure sets a significant flow of a themselves thereby forming a steam-water mixture, whereby it is achieved that at the The walls of the cooling channels always have a sufficient amount of water to convert into steam due to the amount of heat to be dissipated.

Bei Röhren sehr großer Leistung von z. B. N = 100 bis 300 kW mit entsprechend großer, besonders längserstreckter Anode, macht sich jedoch im Betrieb ein Effekt nach Art eines Bimetälleffektes bemerkbar. Da die Wandung: derartiger Anoden relativ dick ist, etwa 20 bis 30 mm, und da infolge der hohen Belastung ein verhältnismäßig hohes -Wärmegefälle zwischen der dem Vakuumraum zugekehrten Innenwand und der vom Kühlmittel umspülten Außenwand herrscht, etwa 150° C, machen sich bei- derartig großen Röhren _ bereits die Ausdehnungsunterschiede zwischen Innen- und Außenwand störend bemerkbar. Dies kann zu einem Verziehen der Anode, analog dem Verziehen eines Bimetallstreifens bei Erwärmung, vor allem in Längsrichtung der Anode, führen. Begünstigt wird dieser Effekt dadurch, daß es sich bei dem Anodenmaterial meist um ein im Vakuum gegossenes, d: hsehr `weiches Kupfer handelt und daß der Querschnitt der Anode durch die erforderlichen Kühlkanäle stark geschwächt ist: In der Praxis wirkt sich dieser Effekt so aus, daß sich die ganze Anode innen, d. h. zum Vakuumraum hin, etwas einzieht. Dadurch würde aber die Röhrengeometrie in unzulässiger Weise geändert werden. Die Röhrengeometrie kante aber auch zusätzlich noch durch weitere thernliech bedingte Spannungen störend 'verändert werden. Betrachtet man den Temperaturverlauf von der an den Vakuumraum angrenzenden Innenwand nach der Außenwand hin jeweils in einer Radialebene einmal durch einen Kühlkanal und das andere Mal durch. die. Mitte zwischen zwei Kühlkanälen, so ergibt sich, daß im ersten Fall die Temperatur etwa an der Stelle des Kühlkanals ein ausgesprochenes Minimum von etwa 100° C aufweist und zum Rand hin wieder bis zum höheren Randwert ansteigt und im anderen Fall die Temperatur zu diesem Randwert irgendwie direkt stetig abfällt. Durch diese im Ringzonenbereich der Kühlkanäle auftreten-den Temperaturunterschiede können somit eventuell zusätzlich in zum Teil unübersehbarer Weise komplizierte Verwerfungen der Anode hervorgerufen werden.For tubes with a very high output of z. B. N = 100 to 300 kW with a correspondingly large, particularly elongated anode, but an effect like a bimetal effect becomes noticeable during operation. Since the wall of such anodes is relatively thick, about 20 to 30 mm, and since there is a relatively high heat gradient between the inner wall facing the vacuum space and the outer wall around which the coolant flows, about 150 ° C, due to the high load, Such large tubes _ already the differences in expansion between the inner and outer walls are annoyingly noticeable. This can lead to distortion of the anode, analogous to the distortion of a bimetal strip when heated, especially in the longitudinal direction of the anode. This effect is favored by the fact that the anode material is mostly a vacuum cast, i.e. very soft copper, and that the cross-section of the anode is greatly weakened by the necessary cooling channels: In practice, this effect works as follows: that the whole anode draws in something inside, ie towards the vacuum space. However, this would change the tube geometry in an inadmissible manner. The tube geometry, however, could also be altered in a disturbing manner by further tensions caused by other factors. If one observes the temperature profile from the inner wall adjoining the vacuum chamber towards the outer wall in a radial plane once through a cooling channel and the other time through. the. In the middle between two cooling channels, the result is that in the first case the temperature at around the point of the cooling channel has a pronounced minimum of about 100 ° C and rises towards the edge again up to the higher edge value and in the other case the temperature somehow at this edge value drops steadily directly. Due to this in the annular zone area of the cooling channels occurring temperature differences can thus possibly also of the anode be caused in part incalculable manner complicated distortions.

Die aufgezeigten, im Betrieb sich einstellenden Spannungszustände sowie die dadurch eventuell verursachten Veränderungen der geometrischen Form einer Anode mit Seekühlung mittels einer Vielzahl von sie durchsetzenden Kühlkanälen zu vermindern bzw. zu vermeiden, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Erreicht wird dies bei einer im ersten Absatz beschriebenen Anode nach der Erfindung dadurch, daB die Breite dieser Einschnitte gegenüber den Querschnittsabmessungen.der Kühlkanäle derart klein gewählt ist, daß die Siedekühlung in den Kühlkanälen nicht beeinträchtigt ist.The voltage states shown during operation as well as any changes in the geometric shape of a Anode with sea cooling by means of a large number of cooling channels penetrating them The object of the present invention is to reduce or avoid them. Is achieved this in the case of an anode according to the invention described in the first paragraph, that the width of these incisions compared to the cross-sectional dimensions of the cooling channels is chosen so small that the evaporative cooling in the cooling channels is not impaired is.

Die beschriebene Maßnahme hat den wesentlichen Vorteil, daß bei einer mittels Kühlkanälen siedegekühlten Anode von relativ dicker Wandung und besonders längserstreckter Form ein Verziehen durch mechanische Spannungen, die von erheblichen Temperaturunterdsrhieden hervorgerufen werden, vermieden wird, ohne daß dadurch date gute Kühlwirkung der Kanalkühlung beeinträchtigt wird.The measure described has the significant advantage that when a Boiling-cooled anode with relatively thick walls and special by means of cooling channels elongated shape warping due to mechanical stresses of considerable Temperaturunterdsrhieden are caused, is avoided without thereby date good cooling effect of the duct cooling is impaired.

Nähere Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand der in den Figuren rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. näher erläutert werden. ` Teil, die nicht unbedingt zum Verständnis der Maßnahme beitragen, wie z. B. Flüssigkeitsbehälter, Kühltopf, Kühlmedium sowie das Entladungsgefäß mit Elektrodenaufbau selber, sind in den Zeichnungen' fortgelassen.`. ' , Während die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Anode nur ringförmige Einschnitte aufweist, sind bei den in den F 'i g.' 3, 4 und 5 dargestellten Anoden die betreffenden Einschnitte längserstreckt ausgebildet.Further details of the invention should be based on the in the figures embodiments shown purely schematically. are explained in more detail. `Part, which do not necessarily contribute to the understanding of the measure, such as B. liquid container, Cooling pot, cooling medium and the discharge vessel with the electrode structure itself are in the drawings 'omitted'. ', While those shown in Figs. 1 and 2 shown Anode has only annular incisions, are in the F 'i g.' 3, 4 and 5 anodes shown the relevant incisions are formed longitudinally.

Bei dem in der F i g. 1 im Aufriß und in F i g. 2 im Querschnitt dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zylindrische, topfförmig ausgebildete Anode 1 in ihrem äußeren, dem Vakuumraum abgewandten Teil von lotrecht angeordneten, an beiden Enden offenen Kühlkanälen 2 durchzogen. Im dargestellten Falle sind diese als Bohrungen ausgeführt, ihr Querschnitt kann aber auch jede andere geeignete Form besitzen. Nach oben endigt die Anode in einem Flansch 3, an dem die angedeutete Anglasung 4 sowie die nicht besonders dargestellte Abdichtung des Kühltopfes gegen die Anodenwandung vorgenommen wird: In bestimmten, etwa regelmäßigen Abständen sind Einschnitte 5 vorgesehen, deren Abmessungen von der Wandstärke der betreffenden Anode abhängen und die beim dargestellten Ausführungsbeispiel weiter in den inneren Wandungsteil der Anode als die Kühlkanalringzone hineinragen, so daß im Querschnitt eine,für die Festigkeit maßgebliche Ringzone 6 übrigbleibt. Durch diese Maßnahme wird in der Hauptsache unterbunden, daß in Längsrichtung der Anode sich auswirkende, zum Verziehen neigende Spannungen ausgebildet werden können. Die Breite der Einschnitte . wird für den beabsichtigten Zweck gegenüber den Querschnittsabmessungen der Kühlkanäle klein gewählt, z. B. wie es etwa die bisher üblichen technischen Herstellungsverfahren ermöglichen: Sie darf jedenfalls nicht so breit gemacht werden, daß dadurch der Vorgang der Siedekühlung, der ja etwa am gesamten Umfang eines Kühlkanals erfolgen muß; an den Schnittkanten (Durchdringungskanten) mit den Einschnitten unterbunden wird. Die Tiefe der Einschnitte hängt jeweils von der Wandstärke der Anode ab, sie kann bei größerer Wandstärke entsprechend größer gewählt werden. Im Bedarfsfall ist es jedoch auch möglich, abweichend von der dargestellten Form, die Einschnitte gar nicht bis zum betreffenden Kühlkanal reichen zu lassen, nämlich dann, wenn dies hinsichtlich der Festigkeit bei relativ dünnen Wandstärken geboten erscheint.In the case of the FIG. 1 in elevation and in FIG. 2, the cylindrical, cup-shaped anode 1 is traversed in its outer part facing away from the vacuum space by vertically arranged cooling channels 2 open at both ends. In the case shown, these are designed as bores, but their cross-section can also have any other suitable shape. At the top, the anode ends in a flange 3, on which the indicated glazing 4 and the sealing of the cooling pot against the anode wall, which is not specifically shown, are made: At certain, approximately regular intervals, incisions 5 are provided, the dimensions of which depend on the wall thickness of the anode in question and which, in the illustrated embodiment, protrude further into the inner wall part of the anode than the cooling channel ring zone, so that an annular zone 6, which is decisive for the strength, remains in cross section. By this measure it is mainly prevented that stresses which act in the longitudinal direction of the anode and tend to warp can be formed. The width of the incisions. is chosen to be small for the intended purpose compared to the cross-sectional dimensions of the cooling channels, e.g. B. how it is made possible by the technical manufacturing processes that have been customary up to now: In any case, it must not be made so broad that the process of evaporative cooling, which must take place around the entire circumference of a cooling channel, is in any case; is tied at the cut edges (penetration edges) with the incisions. The depth of the incisions depends on the wall thickness of the anode; it can be selected to be correspondingly larger if the wall thickness is greater. If necessary, however, it is also possible, deviating from the shape shown, not to allow the incisions to reach the relevant cooling channel at all, namely when this appears necessary in terms of strength with relatively thin wall thicknesses.

In F i g. 3 ist eine Anode i als Ausführungsbeispiel im Querschnitt dargestellt, die in ihrem äußeren von Kühlkanälen 2 durchsetzten Teil Längseinschnitte 5 aufweist, und zwar derart, daß jeweils ein Einschnitt zwischen zwei sufeinanderfolgenden Kühlkanälen 2 liegt. Bei einer derartigen versetzten Anordnung der Einschnitte wird ihre Tiefe so gewählt, daß die von den Kühlkanälen durchsetzte Ringzone entweder angeschnitten oder wie im dargestellten Fall durchschnitten wird. Dadurch wird erreicht, daß vor allem die im Bereich zwischen den Kühlkanälen auftretenden Temperaturunterschiede praktisch keine zum Verziehender Anode neigenden mechanischen Spannungen bewirken können. Weil die Kühlkanäle nicht angeschnitten sind, kann die Breite der Einschnitte in einem gewissen Bereich variiert werden.In Fig. 3 shows an anode i as an exemplary embodiment in cross-section, which has longitudinal incisions 5 in its outer part penetrated by cooling channels 2, specifically in such a way that in each case one incision lies between two successive cooling channels 2 . With such a staggered arrangement of the incisions, their depth is chosen so that the annular zone through which the cooling channels pass is either cut or, as in the case shown, cut through. It is thereby achieved that, above all, the temperature differences occurring in the area between the cooling channels can practically not cause any mechanical stresses that tend to warp the anode. Because the cooling channels are not cut, the width of the cuts can be varied within a certain range.

Bei dem in F i g. 4 im Längs- und in F i g. 5 im Querschnitt dargestellten Ausführungsbeispiel sind in dem äußeren von den Kühlkanälen durchsetzten Teil der Anode 1 längserstreckte axiale Einschnitte 5 derart abweichend vom in F i g. 3 dargestellten Beispiel vorgesehen, daß diese mit den betreffenden Kühlkanälen 2 eine Verbindung herstellen. Weiter als bis zu den Kühlkanälen wird man in diesem Fall die Einschnitte mit Rücksicht auf die mechanischen Eigenschaften der Anode nicht hineinragen lassen. Durch ihre geringe Breite kommt der Vorgang der Siedekühlung am gesamten, durch den Einschnitt verbliebenen Umfang eines jeweiligen Kühlkanals noch voll zur Wirkung. Durch die beschriebenen Einschnitte werden besonders die in der Ringzone zwischen den einzelnen Kühlkanälen auftretenden Temperaturunterschiede hinsichtlich ihrer Ausbildung von mechanischen Spannungen weitgehendst unwirksam gemacht.In the case of the one shown in FIG. 4 in the longitudinal and in F i g. 5 shown in cross section Embodiment are penetrated in the outer by the cooling channels Part of the anode 1 longitudinally extending axial incisions 5 deviating from that in FIG i g. 3 shown example provided that this with the relevant cooling channels 2 establish a connection. You will go further than the cooling ducts in this one Fall the cuts with consideration of the mechanical properties of the anode do not let it protrude. Due to their narrow width, the process of evaporative cooling comes about on the entire circumference of each cooling channel remaining through the incision still fully effective. The cuts described are especially the Temperature differences occurring in the ring zone between the individual cooling channels largely ineffective with regard to their formation of mechanical stresses made.

Die in den Figuren dargestellten Einschnitte bei Anoden mit Kühlkanälen zum Zwecke der Siedekühlung können auch gemeinsam bei einer Anode vorgesehen werden, und zwar in solchen Fällen, in denen es vor allem die Wandstärke zuläßt, ohne die mechanische Festigkeit zu gefährden. Bei einer Kombination werden die Einschnitte vorteilhafterweise gleich tief gemacht, oder aber es werden im Bedarfsfall die ringförmigen Einschnitte tiefer, nämlich tiefer als die Kühlkanalringzone ausgeführt.The incisions shown in the figures in anodes with cooling channels for the purpose of evaporative cooling can also be provided together with an anode, in those cases where the wall thickness allows it, without the endangering mechanical strength. When combined, the incisions advantageously made the same depth, or, if necessary, the annular Incisions made deeper, namely deeper than the cooling channel ring zone.

Die beschriebene Maßnahme ist im Bedarfsfall noch erheblich abwandlungsfähig. So ist es z. B. im Falle der ringförmigen Einschnitte in manchen Fällen vorteilhaft, wenn diese anstatt in regelmäßigen Abständen nach einer anderen Gesetzmäßigkeit distanziert werden.The measure described can still be modified considerably if necessary. So it is z. B. in the case of the annular incisions advantageous in some cases, if this is based on a different law instead of at regular intervals be distanced.

Claims

Claims: 1. Anode for a large electrical discharge vessel Power that forms part of the vessel wall and is used for evaporative cooling in its wall has a large number of cooling channels that are vertical in the operating position, which are open at the top and bottom and surrounded all around with such a wall thickness that the coolant from all circumferential directions in an amount sufficient for the development of steam Amount of heat is supplied, and also in its outer, facing away from the vacuum space Part at certain intervals annular and / or elongated additional, for The outer edge of the anode has incisions that are open towards the outer edge of the anode, which means that it is possible to use it c h n e t that the width of these incisions versus the cross-sectional dimensions the cooling channels is chosen so small that the evaporative cooling in the cooling channels is not affected.

2. Anode according to claim 1, characterized in that the depth of the incisions in the radial direction is less than the minimum outer Wall thickness in the axial cross-section through each cooling channel.

3. Anode after Claim 1, characterized in that the incisions are deeper in the radial direction than protrude up to the cooling channel zone in the inner wall part and as ring slots (F i g. 1) or each arranged between two cooling channels as longitudinal slots (F i g. 3) are formed.

4. Anode according to claim 1, characterized in that the longitudinal incisions and the cooling channels have common radial center planes (Fig. 5). Documents considered: French Patent Specifications No. 1242 841, 1246845.