DE2156711A1 - Vorrichtung zum uebertragen von waerme - Google Patents

Description

• "Vorrichtung zum Übertragen von Wärme" Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Übertragen von Wärme durch dieOberfläche eines Körpers in eine siedende Flüssigkeit.
• Es ist bekannt, daß sich beim Wärmeübergang von einem Körper in eine Flüssigkeit an der Körperoberfläche Dampfblasen bilden, wenn die Temperatur der Körperoberfläche merklich über der Siedetemperatur der Flüssigkeit liegt. Die Menge der sich bildenden Blasen an der Körperoberfläche ist dabei von der Überhitzung der Flüssigkeit, d.ho von dem Temperaturunterschied T T zwischen der Körperoberfläche und der Sattdampftemperatur abhängig. Die Dampfblasenbildung an der Körperoberfläche führt. dazu, daß die Wärmeübergangszahl nicht konstant ist, sondern sich in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz ändert.
• So erhöht sich, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, mit steigender Temperaturdifferenz die Wärmeübergangszahl α bis zu einem Maximum t max und fällt alsdann in dem Maße wieder ab, wie sich einzelne Dampfblasen an der Austauschfläche-miteinander verbinden und schließlich einen zusammenhängenden stabilen Oberflächenfilm bilden, so daß die Flüssigkeit nicht mehr mit der Körperoberfläche in Verbindung steht. Sobald dieser Zustand eines stabilen Dampffilms bei einer kritischen Tempeaturdif ferenz d Tkrit. erreicht ist, behält die Wärmeübergangszahl den bei dieser Differenz sich einstellenden konstanten Wert L bei weiterer Erhöhung der Temperaturdifferenz bei, solange diese nicht so groß ist, daß der Wärmeübergang durch Strahlung merklich ins Gewicht fällt. In Fig. 1 sind solche Temperaturdifferenzen nicht berücksichtigt. Der sich oberhalb der Temperaturdifferenz j Tkrit. einstellende kleine Wert der Wärmeübegangszahl bedingt einen sehr schlechten Wärmeübergang. Das Kühlen eines Körpers kann also wirtschaftlich nur in einem engen Bereich der Temperaturdifferenz durchgeführt werden.
• Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, eine Vorrichtung zu schaffen, die auch bei groBer Temperaturdifferenz sowie in einem möglichst weiten Bereich von Temperaturdifferenzen einen optimalen Wärmeübergaag erlaubt. Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf dem Gedanken, die Temperaturdifferenz so einzustellen und/oder zu steuern bzwo zu regeln, daß sie an der Austauschfläche stets unter der kritischen Temperaturdifferenz liegt und vorzugsweise den optimalen Wert a Topt. annimmt, der dem maximalen Wärmefluß entspricht.
• Im einzelnen besteht die Erfindung darin, daß bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art mindestens ein Teil der Oberfläche des Körpers eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt und/sder der Körper mit Erhebungen versehen ist und somit durch einen variablen Wärmewiderstand auf die Temperaturdifferenz aT Topt. gebracht wird.
• Bei dem Körper kann es sich um einen zu kühlenden Körper oder uch um die Trennwand zwischen einem flüssigen oder gasförmigen Medium einerseits und der Kühlflüssigkeit andererseits handeln.
• Vorzugsweise wird der variable Wärmewiderstand dadurch erzielt, daß die der Kühlflüssigkeit zugewandte Oberfläche des Körpers mit einer Deckschicht mit großem Wärmewiderstand versehen wird undloder der Körper Erhebungen erhält, die ihrerseits mit einer solchen Deckschicht versehen werden können. Der variable Wärmewiderstand bediqt unterschiedliche Temperaturdifferenzen entlang der Körperoberfläche und/oder entlang der Erhebungen, so daß bei entsprechender Wahl des Materials, der Dicke und Oberflächenbeschaffenheit der Deckschichten eine Oberflächenzone entsteht, an der die Temperaturdifferenz a Topt.
• ist o Die Deckschicht kann aus verschiedenen nebeneinander angeordneten Teilschichten unterschiedlichen Wärmewiderstandes bestehen. Für die Wirksamkeit einer Deckschicht ist eine gute Haftung auf der Körperoberfläche erforderlich, da es andernfalls zu einem partiellen Ablösen der Schicht und damit zu einem zonenweisen undefinierten Wärmeübergang kommen kann Eine Steigerung des Wärmeübergangs durch eine grobe Aufrauhung der Schichtoberfläche wird dadurch erzielt, daß an den Spitzen -des Rauhigkeitsprofils die Bildung einzelner Blasen .begünstigt wird, die sich leicht ablösen und dadurch sowohl die Konvektion erhöhen als auch der Ausbildung eines stabilen Dampffilms entgegenwirken.
• Bei gegebener Temperaturdifferenz ß T zwischen dem zu Kühlen den Körper und der Kühlflüssigkeit hängt die Oberflächentemperatur TD der Deckschicht, das ist die Temperatur an der der Kühlflüssigkeit zugewandten Oberfläche der Schicht, von der Dicke dD und der Wärmeleitfähigkeit γ D der Schicht ab, und zwar in der Weise; daß die Temperaturdifferenz d TD = TD ~ T5 eine Funktion des Wärmewiderstandes R = dD/αD D ist. Bei einem bestimmten Wert von R ist A TD = b Topt , d.h. es findet der optimale Wärmefluß Wopt. = g T tops von dem zu kühlenden Körper durch die Deckschicht zur Kühlflüssigkeit statt. Der Wert # TD = Tops wird mit Sicherheit an einer bestimmten Stelle der Deckschichtoberfläche erreicht, wenn dD und/oder D D längs der Körperoberfläche veränderlich sind. Ein großer Wärmeübergang ergibt sich dann auch in der Umgebung dieser Stelle. Gleichzeitig wird mit einer Veränderlichkeit von R erreicht, daß mit abnehmender Temperatur des zu kühlenden Körpers der Bereich mit W = Wopt längs der Oberfläche wandert und damit stets ein günstiger Wärmeübergang gewährleistet ist. Selbst wenn durch innere oder äußere Wärmequellen dem Körper Wärme zugeführt wird, und dadurch seine Temperatur steigt, gibt es bei genügender Variationsbreite von R immer Oberflächenzonen, an denen der optimale Wärmeübergang stattfindet.
• Die Erhebungen auf der Körperoberfläche können beispielsweise aus gut wärmeleitend mit der Körperoberfläche verbundenen Drähten oder Blechen bestehen. Beim Wärmeübergang von einem mit Drähten versehenen Körper bildet sich in axialer Richtung der Drähte ein exponentieller Temperaturabfall aus, dem ein exponentieller Verlauf der Temperaturdifferenz # TDr zwischen Drahtoberfläche und Kühlflüssigkeit entspricht.
• Ein günstiger Wärmeübergang ergibt sich, wenn die Drähte so lang sind, daß von einem bestimmten Punkt jeden Drahtes an # TDr < # Tkrit. also α > α L ist, und eine Drahtzone besteht, in der der Wärmefluß W mit Wopt vergleichbar große Werte besitzt.
• Um den optimalen Wärmeübergang in einer Drahtzone zu erreichen, muß die Drahtlänge einen bestimmten Wert, die Startlänge t so überschreiten.-Diese hängt ab vom Durchmesser dDr' der Wärmeleitfähigkeit γ Dr des Werkstoffs und von der Temperaturdifferenz A Tkrit. Sind die Drähte mit einer Deckschicht versehen, so ist d Tkrit. durch deren Material und Oberflächenbeschaffenheit bestimmt. Rechnerisch läßt sich # aus folgenden beiden Funktionen ermitteln: T T ist die Temperaturdifferenz zwischen Körper und Kühlflüssigkeit. l ist gegeben durch Gleichsetzen von f(l) und g(l) f (1) = g (l) für 1 = lSt (2) Die beiden Gleichungen ergeben sich durch Aufstellen der Wärmebilanz, nach der im stationären Zustand die Differenz der durch Leitung einer bestimmten Drahtstelle der kleinen Länge α 1 zugeführten und abgeführten Wärmemenge gleich der radial durch Wärmeübergang an die Kühlflüssigkeit abgeführten Wärme sein muß.
• In Fig. 2 ist der nach den Gleichungen (1a, b) berechnete Verlauf der Funktioren f(l) und g(l), letz-tere für die bezeichneten Werte von Tkrit, dargestellt mit den festen Werten γ Dr = 300 kcal/m h Grad, dDr = 2 mm, cLL = 150 kcal/m2h Grad und T = 22O0C. Die Startlänge ist jeweils durch den Schnittpunkt einer g (l)-Kurve mit der f(l)-Kurve bestimmt Sie nimmt mit zunehmendem # Tkrit. ab. Aus den Gleichungen (la,b) ist zu entnehmen, daß sie-bei Konstanz der anderen Größen mit abnehmendem # T, mit abnehmendem dDr und abnehmendem γ Dr ebenfalls abnimmt.
• Fällt die Temperatur des zu kühlenden Körpers ab, so verringer-t sich zwangsläufig die Temperaturdifferenz d TDr und dementsprechend wandert die Zone des optimalen Wärmeübergangs in Richtung auf die Oberfläche des Körpers, bis sich ein neuer Gleichgewich-tszus-tand einstellt. Umgekehrt wandert die Zone optimalen Wärmeübergangs bei einer Temperaturerhöhung des Körpers nach außen in Richtung auf das freie Drahtende.
• Die Vorrichtung stellt mithin ein System mit variablem Wärmewiderstand dar, bei dem sich für jede Temperaturdifferenz der jeweils op-timale Wer-t des Wärmewiderstandes selbsttätig einstellt.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.
• In Fig. 3 ist ein Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt, der aus einem zu kühlenden Metallkörper 1 mit einer Deckschicht 2 besteht, deren Austauschfläche 3 mit einer Kühlflüssigkeit 4 in Berührung steht. Der Metallkörper 1 besitzt die Temperatur TK, die über die Dicke der Deckschicht 2 um den Be-trag t T' auf die Temperatur TD der Austauschoberfläche abfällt. Die Kiihlflüssigkeit 4 besitzt die Temperatur T5, so daß sich zwischen der Körpertemperatur TK und der Flüssigkeitstemperatur T die Temperaturdifferenz 4 T sowie zwischen der Oberflächentemperatur TD und der Flüssigkeitstemperatur TS die Tempsraturdifferenz h TD ergibt.
• Die Dicke der Deckschicht wird unter Berücksichtigung des Deckschichtwerks-toffs so gewählt, daß die Differenz 8 TD der Teinperatur TD der Austauschfläche und T5 der Kühlflüssigkeit etwa # Topt. beträgt.
• Wie im einzelnen die Wärmeüberga4Nzahl durch die Natur, Dicke und Oberflächenbeschaffenheit der Deckschicht 2 sowie durch die Kühlflüssigkeit 4 (Fig. 3) beeinflußt werden kann, zeigen die Kurven der Fig. 4 für Stickstoff und Fig. 5 für Wasser, beide bei der jeweiligen Sattdampftemperatur Ts. Sie beziehen sich in Fig. 4 auf einen Metallkörper mit blanker Austauschfläche (Kurve 1, nicht unter die Erfindung fallend), mit dünner Lackschicht (Kurve 2) mit dicken Deckschichten aus unterschiedlichen Isolierstoffen (Kurve 3: Araldit, Kurve 4 Lack) und mit im Vergleich zu der Kurve 2 aufgerauhter Oberfläche (Kurve 5).
• In Fig. 5 beziehen sie sich auf die blanke Austauschfläche (Kurve 1, nicht unter die Erfindung fallend), eine dicke Lackschicht (Kurve 2) und eine dünne Oxydschicht (Kurve 3).
• Die einzelnen experimentell bestimmten Kurven des Diagramms der Fig. 4 und 5 zeigen durch Vergleich mit der Kurve 1, daß durch die Natur, Dicke und Oberflächenbeschaffenheit der Deckschicht einerseits die Wärmeübergangszahl erhöht und andererseits der Bereich der unterkritischen Temperaturdifferenz verbreitert werden kann. Entsprechend der Wärmeübergangzahl i ändert sich auch der Wärmefluß W, wie sich aus den Diagrammen der Fig. 6 (Stickstoff) und 7- (Wasser) ergibt, das auf dieselben Versuche zurückgeht, wie die Diagramme der Fig. 4 und 5 und demzufolge auf den jeweils gleichen -Deckschichten bei den Kurven (2), (3), (4) und (5) beruht. Besonders gute Ergebnisse wurden mit der aufgerauhten Lackschicht (eingebrannter Elektroisolierlach, Kurve 5) erzielt.
• Die erforderliche Natur, Dicke und Beschaffenheit der Deckschicht werden in der Praxis in der Weise bestimmt, daß ausgehend von der gegebenen Temperaturdifferenz ß -T die Deckschicht 2 (Fig. 3) so aufgebaut wird, daß sich die Temperaturdifferenz für die Austauschfläche 3 zu höchstens d Tkrit vorzugsweise zu A r Topt ergibt.
• Damit stets Oberflächenbereiche mit optimalem Wärmeübergang existieren, kann die Deckschicht so beschaffen sein, daß sich zonenweise unterschiedliche Temperaturdifferenzen A TD ergeben. Dies läßt sich durch veränderliche Schichtdicken oder zonenweise unterschiedlichem Material der Deckschicht erreichen.- In diesem Fall ergibt sich immer in denjenigen Oberflächenzonen ein maximaler Wärmeübergang, an deren Austauschfläche die Temperaturdifferenz # TD gerade d Topt beträgt.
• Die Austauschfläche kann erfindungsgemäß auch mit einer Vielzahl von Drähten versehen sein, die mit der Oberfläche des zu kühlenden Körpers gut wärmeleitend verbunden sind. (Fig.8).
• In diesen Fällen fließt die Wärme aus dem zu kühlenden Körper 5 durch dessen als Austauschfläche fungierende Oberfläche 6 in den Draht 7, über dessen Länge sich infolge des radialen Wärmeübergangs in die siedende Kühlflüssigkeit 9 ein Temperaturgefälle mit annähernd exponentiellem Verlauf ergibt. Der Änderung der Temperatur in axialer Richtung entspricht eine Änderung von ß TDr so daß sich in axialer Richtung des Drahtes der Wärmefluß mit der jeweiligen Temperaturdifferenz ebenso ändert, wie das im Diagramm der Fig. 1 dargestellt ist.
• Die Änderung der experimentell bestimmten Temperaturdifferenz d TDr (X) in °C über die Drahtlänge für blanken Kupferdraht mit einem Durchmesser dDr = 2 mm in flüssigem Stickstoff bei einem Druck von 1 ata (Sattdampftemperatur -1960C) ergibt sich aus Fig. 9. Dabei bezeichnet x den Abstand längs des Drahtes von der Körperoberfläche x = 0 aus gerechnet. Für einen mit einer grob aufgerauhten dünnen Lackschicht versehenen Kupferdraht unter sonst gleichen Verhältnissen ergibt sich die Kurve der Fig. 10. Das Temperaturgefälle ist in-Fig. 10 erheblich stärker als in Fig. 9. Dementsprechend ist die Startlänge lst-in Fig. 10 erheblich kleiner als in Fig. 9, wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, da nach Fig. 4 für den Draht mit Deckschicht a Tkrit = 110°C, für den blanken Draht jedoch 600C beträgt. Weiterhin ergibt sich hieraus, daß der radiale Wärmefluß W (x) in 103 kcal/m dessen Verlauf längs der Drahtlänge x ebenfalls in den Fig. 9 und 10 dargestellt ist, seinen Maximalwert-bei dem Draht mit beckschicht (Fig. 10) bei kleineren Werten von x annimmt als bei dem blanken Draht (Fig. 9) und im ersten Fall zahlenmäßig größer ist als im zweiten. Daraus folgt schließlich, daß die Kühlleistung, d.h. die vom Körper über den Draht in die Kühlflüssigkeit abgeführte Wärmemenge je Zeiteinheit, in Fig. 10 mit 13,4 kcal/h größer ist als in Figb 9 mit 8 kcal/h.
• Der Gewinn an Wärmeleistung beim Überschreiten der Startlänge 1St eines Drahtes geht aus Fig. 11 hervor. Dargestellt ist dicke Wärmeleistung N für einen mit einer grob aufgerauhten dünnen Lackschicht versehenen Kupferdraht in Abhängigkeit von der Drahtlänge 1. Bei 1< 1 ist N klein, steigt aber bei Erreichen der Startlänge rasch an (in Fig. 11 ist dieser Anstieg der Einfachheit halber unstetig gezeichnet) und behält dann den erreichten Wert bei. Dieser Übergang ist durch einen Punkt in jeder Kurve bezeichnet. Würde das konstante α beibehalten werden, so würden sich die Kurven in der gestrichelt gezeichneten Weise fortsetzen. Der Parameter der Kurvenist die Temperaturdifferenz # T zwischen Körper und KÜhlflüssigkeit. Sie beträgt d T = 20°C für die Kurve (1), # T = 150°C für die Kurve (2) und # T = 200°C für die Kurve (3).
• Der Einfluß des Drahtdurchmessers dDr eines gestarteten Drahtes auf die Leistung N in Abhängigkeit von ß T ist in Fig.
• 12 dargestellt. Für die Kurve (1) ist dDr = 1 mm, für die Kurve (2) dDr = 2mm und für die Kurve (3) dDr = Fig.. 13 zegt- die Leistung N in Abhängigkeit von # T für den Fall, daß nur die Vergrößerung der Oberfläche des Körpers durch den Draht berücksichtigt wird (Kurve (1)) und die in einem mit einer grob aufgerauhten dünnen Lackschicht versehenen Draht tatsächlich erzielte Leistung (Kurve (2)).
• Für A T@ 0 @geht in beiden Fällen selbstverständlich N. 0.
• Je größer . T wird, je mehr also der für die Praxis'wi.chtige Bereich erreicht wird, in demα < konstant ist, umso größer wird der erfindungsgemäße Effekt.
• Durch Verwendung einer Vielzahl von Drähten wird die Kühlleistung gegenüber der bei Verwendung eines Drahtes erheblich vergrößert. Ein kennzeichnendes Maß ist dann der gesamte wärmeableitende Querschnitt Q ges' das ist die Summe der Einzelquerschnitte aller Drähte. Wird dieser mit einem festen Wert zugrundegel-egt, so ist die Zahl der Drähte umg-ekehrt proportional zum Quadrat ihres Durchmessers. Obwohl nach Fig. 12 die Kühlleistung eines einzelnen Drahtes mit abnehmendem Durchmesser sinkt, steigt sie dabei bei einer Vielzahl von Drähten bei festem Q ges an. Fig. 14 zeigt dies für Kupferdrähte mit einer grob aufgerauhten.
• dünnen Lackschicht für die Drahtdurchmesser dDr = 4 mm (Kurve 1-), dDr - 2 mm (Kurve 2) und dDr = 1 mm. (Kurve.. (3).
• Der Feinheit-der Drähte und damit ihrer Anzahl-istdadurch eine -Grenze gesetzt, daß jeder Draht von der. Kühlflüssigkeit umspült werden muß.
• Es liegt auf der Hand, daß sich ein optimaler Wärmeübergang ergibt, wenn nicht nur die Drähte, sondern auch die zwischen ihnen befindliche Oberfläche des zu kühlenden Körpers mit einer erfindungsgemäßen Decksicht versehen ist.
• Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich Flüssigkeiten, Gase und feste Körper sowohl wirksam abkühlen als auch bei ständiger Wärmezufuhr auf einer bestimmen Temperatur bzw. unterhalb einer oberen Grenztemperatur halten.
• Im einzelnen eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verwendung in Kryostaten, in denen bei Verwendung flüssiger Gase als Kältemittel, beispielsweise zwischen Zimmertemperatur und der Temperatur der siedenden Flüssigkeit eine hohe Kühlleistung erreicht werden soll. Des weiteren ist die Erfindung für das Abschrecken von härtbaren Werkstoffen wie Stahl geeignet. In diesem Falle wird der zu härtende Gegenstand mit einer erfindungsgemäßen Deckschicht ( beispielsweise durch Tauchen) oder mit Körpererhöhungen (beispielsweise Drähten) versehen, ehe er in das Abschreckmedium gebracht wird Schließlich eignet sich dieflErfindung auch zur Anwendung-beim Kühlen von Medien oder Körpern mit hoher Wärmezufuhr, bei denen das thermische Durchgehen, d.h. die Überschreitung einer kritischen Temperatur bzw. einer kritischen Temperaturdifferenz verhindert werden soll, wie im Falle hochbelasteter Anoden, Zylinderköpfe, Dampfkessel, Reaktoren, Transformatoren, elektronischer Bauteile und Autoklaven. Außerdem eignet sich die Erfindung zum exakten Messen der je Zeiteinheit abgeführten Wärmemenge. In diesem Fall wird der Temperaturgradient in der Nähe der Körperoberfläche gemessen und unter Berücksichtigung der Wärmeleitzahl des Drahtwerkstoffs und des Drahtdurchmessers die abgeführte Wärmemenge je Zeiteinheit berechnet.
• Bei einer für Zug-und Biegeversuche geeigneten Konstruktion wird die Probe bei der Siedetemperatur eines flüssigen Kühlmittels oder bei einer beliebigen höheren Temp-eratur gehalten, wobei der Probe von außen oder innen Wärme zu strömt.
• Voraussetzung für exakte Untersuchungen ist eine hinreichend genaue und gleichmäßige Temperierung der Proben während des Versuchs, da der Übergang duktilsprode in einem engen Temperaturintervall erfolgt. Als Kühlflüssigkeit dient flüssiger Stickstoff, mit dem die Temperatur im Bereich von -50°C bis -196°C einstellbar ist.
• Bei der in Fig. 15 dargestellten Versuchsanordnung dienen sowohl die Verdampfungswärme als auch die spezifische Wärme des kalten Gases der Kühlung Um eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung in der Probe zu erreichen, werden auch die Einspannstücke temperiert, so daß die Wärmeeinströmung aus dem Zuggestänge kein Temperaturgefälle in der Probe erzeugt, so daß die Wärmeeinströmung aus dem Zuggestänge kein Temperaturgefälle in der Probe erzeugt. Zusätzlich ist ein Abschirmen des Probenraumes gegen die Umgebung erforderlich.
• Die Probe (20) wird in zwei konische Einspannstücke 21,22 aus Edelstahl eingeschraubt, auf denen die beiden Kühlköpfe,24 aus Kupfer'angeordnet sind. Die konischnn Einspannstücke gewährleisten trotz unterschiedlicher Wärmeausdehnung von Kupfer und Stahl einen stets guten Wärmekontakt. Die aufgesetzten Kühlköpfe sind rotationssymmetrisch aufgebaut und bestehen aus'einem zwischen zwei dickwandigen Flanschplatten 25,26 und 2Bngeordneten inneren Konus 29, 30, dem Wärmeaustauscher 31, 32 und der äußeren Siedekammer 33, 34.
• In die Deckflansche sind extrem trägheitsarme Niedervolt Heizelemente 35,36 eingelötet. Der Probenraum ist außer durch Schaumstoff 37 durch: einen doppelwandigen Kupferzylinder 38 abgeschirmt.
• In der Siedekammer 33, 34 wird der flüssige Sticksto-ff verdampft; dabei erreicht der Wärmefluß normalerweise in einem verhältnismäßig kleinen Bereich von # T große Werte. Um in einem großen Temperaturbereich eine möglichst ho-he Kühll-eistung zu erzielen, sind die aus Kupfer bestehenden Wände 39, 40 der Siedekammern 33, 34. erfindungsgemäß mit einer rauhen Lackschicht versehen. Dadurch wird der # T Bereichin dem W ( # T) groß ist, gegenüber blankem Kupfer au-sgedehnt und außerdem die W ( # T) Wertein diesem Bereich wesentlich erhöht.
• Um bei großen T Werten eine hohe Kühlleistung zu erzielen, müssen die Siedekammern zusätzlich noch mit einem variablen \ Wärmewiederstand versehen werden. Um die Siedekammern möglichst kompakt und leistungsfähig zu gestalten, müssen, um die Startbedingung zu erfüllen, bei Verwendung von Drähten mit variablem Wärmewiderstand diese entweder---sehr- dünn sein oder bei größerer Dicke aufgerollt-werden. Nachteilig ist bei dünnen Drähten die geringe mechanische Festigkeit und die hohe Anzahl. Bei aufgerollten drähten läßt sich wegen des hohen- Platzbedarfs unter gegebenen Verhältnissen: nur eine relativ geringe Anzahl- unterbringen. Bei der Startlänge spielt das Verhältnis~ von Oberfläche/Längeneinheit zum ableitenden Querschnitt eine wesentliche Rolle, und zwar läßt sich durch Vergrößerung der Oberfläche die Startlänge wesentlich herabsetzen. Es lassen sich relativ viele dicke kurze gerade Drähte verwenden, wenn deren Oberfläche/Länge entsprechend vergrößert wird. Dies kann z.B. dadurch geschehen, daß zwischen dicken Drähten 41- dünner Draht nach Art eines Korbgeflechtes 42 angeordnet ist (Fig. 16).
• Durch entsprechende Löt- bzw. Schweißverbindungen muß ein guter Wärmekontakt zwischen den dünnen und den dicken Drähten, sowie zwischen der Wand der Siedekammer und. den dicken Drähten gewährleistet sein.
• Das beim Sieden entstehende Stickstoffgas wird durch den Gaswärmeaustauscher 33, 34 und durch die Drosseldüsen 43, 44 in dem Probenraum 45 geleitet. Die durch. die Drosseldüsen strömende Gasmenge ist vom Überdruck in den Siedekammern 33, 74 abhängig. Dieser setzt sich, wie folgende. Überlegung zeigt, mit dem Druck in der Stickstoffzuleitung ins Gleichgewicht. Ist der Druck in den Siedekammern.niadriger als in den Zuleitungen, wird flüssiger Stickstoff in die Sie dekammern gedrückt, der Füllstand erhöht sich und es werden mehr Drähte 41, 42 benetzt. Dadurch wird mehr flüssiger Stickstoff verdampft, und. der Druck steigt an. Wird der Druck in den Siedekammern 33, 34. größer als in den Zuleizungen, wird flüssiger Stickstoff in den Vorratsbehälter zurückgedruckt. Die Füllstandshöhe in den Siedekammern 33, 34 sinkt. Dadurch werden jetzt weniger Drähte .41,42 be netzt, das Sieden des Stickstoffs nimmt ab und damit auch der Druck. Es handelt sich hier um einen selbsttätigen Regelmechanismus, wie er vom Kipp'schen Gasentwickler her bekannt ist.
• Zum Einstellen und Konstanthalten der Temperatur dient eine elektrische Regelung; dabei gibt es zwei Möglichkeiten, die gewünschte Temperatur einzustellen; nämlich durch Änderung der Kälteleistung und variable elektrische Wärmezufuhr. Mit dem Druck laßt sich die Kälteleistung in weiten Grenzen ändern. Für eine gute Regelung e-rweistssich das System als zu träge.
• Bei dem Verfahren mit konstant gehaltener Kälteleistung.
• Bei dem Verfahren mit konstant gehaltener Kälteleistung werden alle vier Flanschplatten einzeln mittels elektronisch geregelter Heizelemente auf der gewünschten Solltemperatur gehalten. Dazu sind Temperaturmeßfühlerin in die Flanschplatten eingelötet. Zum Messen der Probentemperatur ist ebenfalls ein Thermoelement angebracht. Sämtliche Vergleichslötstellen befinden sich in einem elektronisch geregelten Thermostaten mit einer Vergleichsstellentemperatur von +50°C. Ein Meßstellenumschalter gestattet es, in beliebiger Reihenfolge die Thermoelemente abzufragen.
• Dazu wird das Signal über einen chopperstabilisierten Verstärker auf den Eingang eines Digitalvol-tmeters gegeben und dort abgelesen.
• Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Kyrostaten im Vergleich zu üblichen, ist der große Temperaturbereich, der z.B.
• bei Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel von ca. +500C bis 1960C reicht, also bis zur Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs. Allgemeines Kennzeichen der zur Anwendung kommenden Kryostaten ist der Aufbau aus Siedekammer, Gaswärmeaustauscher und elektronischer geregelter elektrischer Heizung. Die einzelnen Aggregate müssen einen guten Wär/mekontakt miteinander haben. Die- Zufuhr des flüssigen Kühlmittels unter Druck wird durch einen Kipp'schen Mechanismus geregelt.
• Der Wärmeübergang vom zu kühlenden Objekt erfolgt entweder durch Wärmeleitung und/oder durch Konvektion. Ein breites Anwendungsfeld liegt in der Materialprüfung wie bei Zug-, Biege- und beim Kerbschlagversuch sowie zur Prüfung großer Bauteile beim Robert-son- und Pellini-Test, beim COD- und KIC-Versuche. Hierbei erfolgt die Temperierung dadurch, daß die Kryostatenelemente gut plan an den zu temperierenden Obj- Gkimnli egen.

Claims (7)

Patentansprüche :

1. Vorrichtung zum Übertragen von Wärme durch die Oberfläche eines Körpers in eine siedende Flüssigkeit, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , - daß der Körper (1,5) eine der Kühlflüssigkeit t4) zugekehrte Deckschicht (2) mit höherem Wärmewiderstand besitzt und/oder mit Erhebungen (7) mit höherem Wärmewiderstand versehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß der Körper (1,5) und/oder die Erhebungen (7) eine der Kühlflüssigkeit (4,9) zugekehrte Deckschicht (2,8) mit höherem Wärmewiderstand besitzt.

3. Vorrichtung nach Ansprucll 2, d a d u r c 11 g e k e n nz e i c h n e t , daß die Deckschicht (2,8) eine unter schiedliche Dicke besitzt und/oder aus unterschiedlichem Material zusammengesetzt ist

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sich von der Körperoberfläche (3,6) aus Drähte (7) und/oder Bleche erstrecken.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß die Länge der Drähte (7) und/oder Bleche mindestens gleich der Startlänge ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, d a-d-u r c h g e k-e n n z e i c h n e -t , daß die Oberfläche der Deckschicht -(3,6,8) grob aufgerauht ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Drähte (7) und/oder Bleche -einen- im Verhältnis zu ihrem Gesam-tquerschni-t-t geringen Einzelquerschnitt besitzen.

L e e r s e i t e