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Dauerelektroden-Einrichtung für MHD-Generatoren Die Erfindung bezieht
sich auf eine Dauerelektroden-Einrichtung für MI1D-Generatoren, bestehend aus einem
Rohr oder einer Hülse, in die eine die eiaentliche Elektrode bildende Masse eingeführt
wird, und zwar in Abhängigkeit von der Elektrodenabnutzung.
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Es sind bereits ähnliche Einrichtungen für verschiedene Anwendungsfälle,
insbesondere für elektrische Öfen, bekannt, bei denen die die Paste enthaltenden
Rohre im wesentlichen vertikal angeordnet sind; die Paste wird den Rohren von oben
zugeführt, und der elektrische Ofen ist unterhalb der Elektrode anaeordnet. Durch
die Ofenwärine wird die Paste im unteren Teil des Rohres hart und bildet damit eine
feste Elektrode, die sich im Laufe der Abnutzung oder des Verbrauchs im Ofen langsam
und gleichmäßig nach unten bewegt.
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Es sind ferner bereits Dauerelektroden-Einrichtungen für MHD-Generatoren
bekannt, in denen zur Eildun- der Elektrodenmasse Kohlepulver verwendet wird. Die
Kohle bewegt sich zwischen zwei ebenen und parallelen Wänden, die meist im wesentlichen
senk-recht angeordnet sind. Die so gebildete Elektrode erstreckt sich über die ganze
Höhe des Generators, dessen Gasstromkanal vertikal angeordnet ist. Bei dieser Einrichtung
besteht der Nachteil, daß nur eine begrenzte Anzahl von Elektroden verwendet werden
kann, während es in gewissen Fällen erwünscht ist, zehn und mehr Elektroden zu haben.
Andererseits müssen beträchtliche Kräfte aufgewandt werden, um das Kohlepulver vorzudrücken.
Ferner enthält die Kohle Silizium, das sich im Laufe der Zeit auf den feuerfesten
Wänden des Generators ablagert. In dem Maße, in dem die Kohle verbraucht wird, sammelt
sich Silizium an, und selbst bei einer Kohle mit geringem Siliziumgehalt wird die
niedergeschla-Crene Siliziummenge groß genug, um die feuerfesten Wände des Generators
zu zerstören. Bekanntlich soll das Gas im Inneren eines l#MD-Generators eine sehr
hohe Temperatur in der Größenordnung von 2000 bis 3000' C haben, und damit
diesen Temperaturen widerstanden werden kann, wird gewöhnlich als feuerfestes Material
Reinaluminium verwendet. Nun bildet Silizium mit Aluminium eutektische Mischungen,
die bei 1500 und bei 18001 C schmelzen. Die Kohle enthält auch andere
Verunreinigungen, wie z. B. Eisenoxyd FeO., die zusammen mit Aluminium ein Eutektoid
bilden, das bei 13001 C schmilzt. Mit den in der Kohle anzutreffenden Verunreinigun-C,
gen können noch weitere Eutektoide gebildet werden, z. B. das Eutektoid Ca0, Fe0,
Aluminium und Silizium, das bei 12801 C schmilzt. Der Erfindung liegt die
Aufgabe zugrunde, die Dauerelektroden-Einrichtung der eingangs genannten Art unter
Beseitigung der vorerwähnten Mängel herkömmlicher Einrichtungen sowohl im Hinblick
auf den Aufbau als auch die Betriebsweise zu vereinfachen und dabei dennoch sicherzustellen,
daß mit außerordentlich hohen Temperaturen gearbeitet werden kann, ohne auch nach
längerer Betriebsdauer mit Zerstörungen der Generatorwände rechnen zu müssen. Erfindungsgemäß
ist die die Elektrode bildende Masse eine Paste aus einer Mischung von pulverförinigem
Graphit mit mindestens 30 bis etwa 501110 Öl.
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Die elektrische Leitfähigkeit dieser Paste hängt sehr stark vom ölgehalt
ab und fällt in der Nähe der fraglichen Werte plötzlich ab. Von Bedeutung ist ferner,
daß bei größenordnungsmäßig gleichen Ölgehalten ein plötzliches Nachlassen der Kräfte
erfolgt, die zur Verschiebung der Paste im Elektrodenrohr erforderlich sind. Außer
den günstigen Gleiteigenschaften ist die Tatsache hervorzuheben, daß der elektrische
Widerstand der Elektrodenmasse im rückwärtigen Bereich des Vorschubrohres infolge
der Isolierwirkung des öles hoch, in dem dem Kanal
nahen heißen
Bereich hingegen gering ist. Bei der Verwendung von Graphitelektroden erhält man
die gleichen Vorteile wie bei der Verwendung von verbrennbaren Elektroden, wie Kohleelektroden,
d. h., die Verbrennung des Graphits im NIHD-Kanal liefert zusätzliche Wärmeinengen,
was wegen der begrenzten kühleren Schichten an den Wänden solcher Generatoren wichtig
ist. Der zur Bildung der Paste verwendete Graphit ist teurer als Kohle, er ist jedoch
frei von Verunreinigungen, die die Kohle enthält und die, wie oben erwähnt, die
feuerfesten Wände des Generators schnell zerstören. An dieser Stelle ist
zu
bemerken, daß es bereits bekannt ist, bei MIID-Generatoren Graphitelektroden
aus kompaktem oder pulverförmigem Graphit zu verwenden. Hierbei wird jedoch nicht
von der vorteilhaften Mischung von Graphitpulver mit 30 bis etwa
50 % öl Gebrauch gemacht, um die Gleiteigenschaften sowie die elektrische
Leitfähigkeit zu beeinflussen. So besteht in einem Fall beispielsweise die Elektrode
aus pulverförmigem Graphit das von einem metallischen Elektrodenmantel umschlossen
ist, der mit dem Graphit verbraucht wird.
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Ferner verdient in diesem Zusammenhang die Tatsache erwähnt zu werden,
daß bereits eine Masse für selbstbrennende Elektroden aus Koks geeigneter Korngröße
bekannt ist, der Hartpech beigegeben ist sowie Dünnteer oder Teeröl, letzteres jedoch
nur in einer für die Ablösung des Staubes ausreichenden geringen Menge, so daß die
Masse selbst bei sommerlicher Raumtemperatur und größerer Schütthöhe ihre pulverige
Beschaffenheit beibehält. Ähnlich lautet ein weitererbekannter Vorschlag, der dahin
geht, der Grundsubstanz der Masse aus Koks oder Anthrazit als Bindemittel Teer beizugeben.
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Da Graphit, wenn auch in wesentlich schwächerem Maß als Kohle, ebenfalls
auf das feuerfeste Materi einwirkt und es angreift, ist in Ausgestaltung der rfindung
eine Vorrichtung vorgesehen, um die Lage der Graphitpaste mit ihrer Frontfläche
in bezug auf den MHD-Kanal derart zu begrenzen, daß sie die feuerfesten Wände des
Kanals nicht angreifen kann.
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Es wird deshalb eine Vorschubsteuerung zur Regulierung der Lage der
Graphitelektrode in dem Generator verwendet. Diese Lage hat eine besondere Bedeutung.
Wenn die Elektrode nämlich zu weit in den Kanal hineinragt, ergibt sich eine Abnutzung
des feuerfesten Materials, wie oben erwähnt. Wenn die Elektrode demgegenüber nicht
weit genug in den Kanal ragt, ergibt sich ein unzureichender Kontakt zwischen dem
Graphit und dem Plasma, und es entsteht ein Widerstand, der den Wirkungsgrad der
Gesamtanordnung beträchtlich herabsetzt.
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Ärt dieser Stelle ist zu erwähnen, daß bereits eine Elektrodenvorschubsteuerung
Gegenstand eines älteren Rechts ist. Bei dieser Steuerung wird jedoch von einer
Fotozellen-Lichtschranken-Anordnung Gebrauch gemacht. Als Elektrodenmaterial ist
hierbei Graphit oder ein in Röhren geführtes sinterfähiges, elektrisch leitendes
Material vorgesehen.
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Der zwecks Erhöhung der Temperatur des Elektrodenendes zur Verbrennung
der Elektrodenpaste erforderliche Sauerstoff kann im Gasstrom verfügbar sein. In
einigen Fällen ist es jedoch vorteilhaft, dem Gasstrom Sauerstoff beizugeben, wenn
die Wärmeerzeugung erhöht werden soll.
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Dabei ist es von Vorteil, Sauerstoffstrahlen um die Elektrode herum
anzuordnen, so daß in der Nähe der Frontfläche der Elektrodenpaste eine sehr heiße
und sehr harte Schicht gebildet wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Wände der Elektroden
gekühlt, vorzugsweise durch einen um jedes Elektrodenrohr herum angeordneten Kühlwasserumlauf.
Dadurch wird es möglich, eine weniger starke Verfestigung der Außenbereiche der
Elektrodenpaste zu erhalten, was die Verschiebung in dem Rohr erleichtert. Dabei
kann der Mittelteil der Elektrode gleichzeitig sehr heiß gehalten werden und sehr
hart sein.
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Da die Paste auf Grund des relativ hohen Ölgehalts isolierend ist,
ist es möglich, eine zentrale Versorgung für die verschiedenen Elektroden mit einer
zentralen Kompressionsanlage zu verwenden. Die dem Kanal zugewandten Rohrteile müssen,
wenn sie metallisch sind, über geeignete isolierende Abdichtungen mit den zu der
Kompressionsanlage führenden Rohrteilen verbunden sein, da die Paste in den vorderen
Rohrteilen unter der Hitzeeinwirkung elektrisch leitend wird.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt F i g. 1
schematisch einen Schnitt durch einen MHD-Kanal eines erfindungsgemäßen Generators
senkrecht zur Strömunasrichtung, F i g. 2 eine Ansicht eines Teils des Generators
nach F i g. 1,
F i g. 3 eine mögliche Elektrodenausbildung und -anordnung
an einem erfindungsgemäßen Generator, F i g. 4 eine abgewandelte Elektrodenausbildung
und -anordnung, F i g. 5 schematisch an Hand eines Schnittes durch eine Elektrode
das Arbeitsprinzip einer Meßvorrichtung zur Ermittlung des Widerstandes der Elektrodenpaste
und damit der Lage der Elektrode im Generator zwecks Steuerung der Pastenbewegung
in der Hülse, F i g. 6 eine gegenüber derjenigen nach F i g. 5 abgewandelte
Meßvorrichtung, F i g. 7 eine Temperaturkurve zur Veranschaulichung der Temperatur
der Elektrode in Abhängigkeit von ihrer Lage in bezug auf den MHD-Kanal, F i
g. 8 eine weitere abgewandelte Meßvorrichtung, F i g. 9 schematisch
an Hand eines Axialschnitts ein Elektrodenrohr mit einer Einrichtung zur Steuerung
der Pastenvorschubbewegung, F i g. 10, 11 und 12 auf schematische Weise verschiedene
Möglichkeiten der Speisung der Elektrodenhülsen mit Graphitpaste.
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Bei der Generatorausführung nach F i g. 1 münden in einen MHD-Kanal
1 zwei Elektroden. Dem Kanal 1 sind nicht näher dargestellte Mittel
zur Sauerstoffzufuhr und damit Begünstigung der Verbrennung der Elektroden zugeordnet.
Diese Elektroden bestehen jeweils aus einer in einem Rohr 2, 2' enthaltenen Paste
3, X, die aus einer Mischung von pulverförmigem Graphit mit mindestens
30 bis etwa 5001o öl besteht. Diese aus einem Vorratsbehälter 4 kommende
Paste wird im Rohr durch einen Kolben 5
vorgeschoben. Rückschlagventile
6 und 7 gewährleisten eine einwandfreie Arbeitsweise der Nachschubvorrichtung
bei einem Arbeitsspiel ähnlich derjenigen von Saug- und Druckpumpen.
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Eine als Stromabnehmer und/oder Fühlorgan dienende Sonde
9 zur Steuerung des Pastenvorschubs kann in jeder geeigneten Weise befestigt
sein, bei-C
spielsweise an einem Gitter 10, wie es in Ansicht
in F i g. 2 dargestellt ist.
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Die Kühluna der Außenwand der Elektrode wird durch eine Kühlmittelschlange
12 gewährleistet, durch die z. B. Wasser fließt. Dadurch wird in dem Elektrodenrohr
eine durch Punkte angedeutete be-(Yrenzte, zähflüssige Randschicht 13, 13'
beibehalten, während sich die Paste im zentralen Bereich verf estigt.
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In F i g. 3, die einen Schnitt längs der Linie III-111 in F
i g. 1 darstellt, ist dargestellt, wie mehrere Elektroden 15, 16,
17 ausgebildet und in bezug auf den Kanal angeordnet sein können. Die runde
Rohre 2 umfassenden Elektroden lieaen in einer gleichen Ebene parallel zur Achse
des Kanals, wobei ihre Enden ausgefluchtet sind, so daß die Erzeugung einer heißen
Zone in den mittleren Teilen der Elektroden begünstigt wird, um damit einen guten
Wirkungsgrad des Generaters zu erhalten.
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In F i o,. 4 ist eine ähnliche Anordnung dargestellt, bei der die
Elektroden 25, 26, 27 jedoch rechteckige Rohre 2 aufweisen. Die Ecken der
Rohre 2 sind abgerundet, um die Verschiebung der zähflüssigen Paste 3 im
Rohrinneren zu begünstigen.
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F i g. 5 zeigt auf schematische Weise ein Ausführungsbeispiel
einer möglichen Sondenausbildung für die Pastenvorschubsteuerung. Die Sonde
9 umfaßt elektrische Umfangskontakte 31, 32, 33, die über Leiter
31 a, 32 a, 33 a mit einem geeigneten Apparat beliebi-er
bekannter Bauart verbunden sind, der die Vorschubsteuerung z. B. in Abhängigkeit
von den gemessenen elektrischen Widerständen auslöst.
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In F i g. 6 ist schematisch eine andere Sondenausführuna zur
Feststellung der Elektrodenlage durch Messung der Pastentemperatur dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Temperaturfühler 35, beispielsweise ein
Thermoelement, vorgesehen, an dem die Graphitpaste, deren Temperatur festgestellt
werden soll, vorbeistreicht. Die Kurve in F i g. 7 zeigt die nemessene Temperatur
in Abhängigkeit von der Lage der Frontfläche der Elektrodenpaste in dem Rohr nahe
der Innenwand des MHD-Kanals. Die Abszisse stellt die Lage der Frontfläche der Graphitmasse
in dem Rohr dar, die Ordinate die Temperatur. Mit A
ist der Punkt bezeichnet,
der der optimalen Lage der Elektrodenpaste im Rohr nahe dem NIHD-Kanal entspricht.
Wenn die Elektrodenpaste über das Ende des Rohres hinaus und in das Innere des Kanals
eintritt, nähert sich ein diese Lage darstellender Punkt dem Koordinatenursprung
auf der horizontalen Achse. Die Elektrodenpaste heizt sich in diesem Fall bei Eintritt
in den Kanal 1 schnell auf, und zwar bis zu einem Maximalwert, der durch
den Absatz B der Kurve in der Nähe der Ordinate dargestellt ist. Je weiter die Frontfläche
der Elektrodenpaste jedoch in das Rohr zurücktritt, um so stärker fällt die von
der Sonde festgestellte Temperatur ab. Ab einer bestimmten Lage steigt die
festgestellte Temperatur jedoch schnell an, beispielsweise von einem Punkt
C ab, weil die Graphitpastenschicht zu dünn wird, um die Teinperaturfühler
zu schützen, die jetzt direkt der vom Kanal ausgehenden Strahlung ausgesetzt sind.
Der bl & t2 Arbeitspunkt der Pastenzufuhrsteuerung wird deshalb in der
Gegend des Punktes A gewählt, wobei der Abfall der Kurve aus-enutzt wird,
um die unbrauchbare Lage D zu vermeiden.
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Hinter dem Temperaturfühler 35 ist, wie aus F i g. 6
ersichtlich, ein zweiter, ebenfalls durch ein Thermoelement gebildeter Temperaturfühler
36 angeordnet, um die vom ersten Thennoelement gelie C
ferten Werte
in Abhängigkeit von Änderungen des Betriebszustandes bei der Verbrennung zu korrigieren.
Wenn die Geschwindigkeit des Plasmas oder dessen Temperatur im MHD-Kanal abfällt,
verringert sich auch die von der Elektrode aufgenommene Wärine sehr schnell. Die
Lage der Elektrodenpaste, die durch die vom Fühler 35 festgestellte Temperatur
definiert ist ' soll jedoch unabhängig von der Temperatur des Plasmas und
der Stärke der Zirkulation im Kanal definiert sein. Diese Einflüsse können durch
die vom Fühler 36 gelieferten Angaben korrigiert werden. Die beiden Fühler
35 und 36 können z. B. in einer Wheatstoneschen Brücke liegen.
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In F i g. 8 ist eine weitere Ausführungsform einer Meßanordnung
zur Feststellung der Lage der Elektrodenpaste und damit zur Steuerung des Pastenvorschubs
dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird der übergangswiderstand der Elektrode
zum Plasma, und zwar der diesem Widerstand entsprechende Spannungsabfall gemessen
und mit einer Spannung verglichen, die zwischen zwei Elektroden 41, 43 abgenommen
wird, welche in den MHD-Kanal 1 hineinragen. Zu diesem Zweck ist in die Elektrodenpaste
3 eine Meßsonde 9 eingelagert, und es wird der Widerstand zwischen
dieser Sonde 9 und der Elektrode 41 gemessen, die in die Wand des MH1)-Kanals
1 eingebaut ist und in den Gasstrom hineinreicht, d. h. sich über
die Grenzschicht hinaus erstreckt, die durch die unterbrochene Linie 42 dargestellt
ist. Andererseits wird der Widerstand zwischen der Elektrode 41 und der Elektrode
43 gemessen. Zu diesem Zweck wird zwischen der Sonde 9 und der Elektrode
41 mit Hilfe eines Transformators 45 eine Spannung angelegt, der durch eine an die
Klemmen 46, 47 angelegte Wechselspannung gespeist wird. In gleicher Weise wird mittels
eines weiteren Transformators 48 eine Wechselspannung zwischen den Elektroden 41
und 43 gelegt. über den Elektrodenstromk.reis wird ein Stromwandler 49 gelegt und
in den die beiden Elektroden 41 und 43 verbindenden Kreis ein weiterer Stromwandler
50. über den beiden genannten Kreisen werden ferner Dämpfungsfaktoren vorgesehen,
durch die die in den Wandlern 49 und 50 aufgenommenen beiden Spannungen bei
richtiger Arbeitsweise des NIHD-Generators einander entgegengesetzt sind. Zwischen
die beiden Klemmen 51 und 52 wird ein empfindliches Instrument geschaltet,
beispielsweise ein schmalbandiger Wechselstromverstärker, der auf Phasenänderungen
anspricht, um den Pastenvorschub zu steuern.
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In F i g. 9 ist schematisch veranschaulicht, wie sich die erfindungsgemäße
Pastenvorschubsteuerung praktisch verwirklichen läßt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich,
ist durch die fragliche Ausbildung einerseits ein gedrosselter Durchtritt der Graphitpaste
und andererseits eine elektrisch isolierende Verbindung von zwei Rohrteilen sichergestellt,
um den Teil des Rohres, der dem MHD-Kanal benachbart ist, vom Rest des Graphitpastenzufuhrkreises
zu trennen. Diese Isolierung ist ganz besonders be; Mehrfachelektroden wichtig,
die natürlich vonein nder isoliert sein müssen.
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Die Zeichnung läßt erkennen, daß die beiden Rohrteile 55 und
56, beispielsweise aus Metall, durch einen Zwischenring 57 aus Isoliermaterial,
wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen, getrennt sind. Dem
Zwischenring
57 ist ein Ringprofil 58 aus nachgiebigem Material, beispielsweise
Gummis mit einem Boden 59 und zwei Schenkeln 60 und 61 zugeordnet.
Die Schenkel 60 und 61 sind in irgendeiner geeigneten Weise zwischen
dem Ring 57 und den Rohrteilen 55 und 56 eingeklemmt, so daß
eine Abdichtung gewährleistet isi.
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über eine Leitung 62 läßt sich Druckluft in das Innere des
Guminiprofils einlassen und letzteres mehr oder weniger stark aufblasen. Auf diese
Weise wird der Durchtritt mehr oder weniger gedrosselt und der Durchfluß der Graphitpaste
entsprechend begrenzt.
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Eine derartige pneumatische Steuereinrichtung ist einfach im Aufbau
und nimmt wenig Platz ein, was bei einem MHD-Generator wichtig ist, wo der verfügbare
Raum für die Zubehörteile sehr beschränkt ist. Diese Einrichtung löst gleichzeitig
die beiden Probleme: Durchflußsteuerung und elektrische Entkopplung der eigentlichen
Elektroden. Sie ermög_ licht deshalb eine zentrale Graphitpasten-Verteilerausbildung
und Anordnung außerhalb des Luftspaltes in einer gewissen Entfernung vom MHD-Kanal,
wodurch der Platzbedarf in der Nähe desselben noch weiter verringert wird.
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Die F i g. 10, 11 und 12 stellen beispielsweise drei mögliche
Ausführungen von Verteilungskreisen dar. In allen drei Fällen sind übereinstimmende
Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und zwar der Generator mit
dem Bezugszeichen 70,
die Elektroden mit 71, die Pumpe mit
72 und die Steuerventile mit 73. In F i g. 10 werden die Elektroden
71 von einer einfachen, von der Pumpe 72 ausgelienden Leistung gespeist.
Bei dieser Einrichtung besteht der Nachteil, daß der Druck stromaufwärts von jeder
Elektrode anders ist und deshalb die Pastennachschubsteuerungseinrichtungen, für
jede Elektrode unabhängior gesteuert werden müssen.
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Gemäß F i g. 11 werden die Elektroden einzeln gespeist. Durch
gleich lange Ausbildung der Transportleitungen für die Graphitpaste ist es deshalb
möglich, bei jeder Elektrode den gleichen Druck zu erzielen.
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In F i 12 ist schließlich eine Speisungsmethode veranschaulicht, bei
der die Speisung der Elektroden über eine Doppelleitung erfolgt. Bei Verringerung
des Graphitverbrauchs in den Elektroden kehrt der nicht benötigte Graphit in der
Rückleitung zum Vorratsbehälter der Pumpe zurück. Diese kann deshalb mit praktisch
konstantem Betrieb arbeiten und wird in vorteilhafter Weise nicht von den Veränderunaen
im Graphitverbrauch beeinflußt.
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Abweichend von den vorstehend beschriebenen Möglichkeiten der Pastennachschubsteuerung
kann auch direkt auf die Pumpe eingewirkt werden, ohne den Durchfluß durch die Leitungen
zu drosseln. In diesem Fall sind dann nur isolierende Verbindungsstücke zur elektrischen
Entko plung vorgesehen, die p C
den Durchfluß nicht steuern. Jede Leitung
kann je-
doch noch ein festes Regulierorgan aufweisen, mit dessen Hilfe eine
Anpassung an verschiedene Längen der Speiseleitungen möglich ist.
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