DE2357535A1 - Hochtemperatur-waermeisolation - Google Patents

Description

Laszlo Körtvelyessy, Diplom-Physiker, Hanau:

Hochtemperatur-Wärmeisolation ; '

Zweck dieser Erfindung ist es, die Wirtschaftlichkeit der Hochtemperatur-Öfen, vorzugsweise Widerstandsöfen (über 2000 K) zu erhöhen, die Temperaturgleichmäsigkeit zu verbessern und die obere Temperaturgrenze höher hinauszuschieben durch eine neue Anordnung des Metallfolie-Systems.

Es ist Stand der Technik, daß man mit Metallblechen wesentlich besser isolieren kann als mit Metallwolle oder mit Knitterfolie. Die neueren Erfindungen, z. B. in der US-Patentschrift 3 317 203, 3 '409 738, der Auslegeschrift 2 034 -200 sowie in GB l 047 753 lösen die Probleme der

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Hochtemperaturisolation durch Verwendung von Metallfolien'» Das Gebiet ist auch wissenschaftlich erforscht, siehe R.P. TYE: "Thermal Conductivity, Academic Press London (1969)' und C.K. Crawford: "High-Efficiency High Temperature Radiation Heat-Shields"in the Journal of Vacuum Science and Technology, Vol. 9, No. 1, pages 23 - 26. Die Folien sind/Lm wesentlichen parallel mit der zu isolierenden Oberfläche angebracht, höchstens mit einer Abweichung von 20°. Bei allen bisherigen Lösungen ist irgendein Abstandshalter verwendet, der die Berührung der Folien miteinander verhindert. Es sind dies in der US-Patentschrift Ausdrücicungen von eigenem Material, in der US-Patentschrift 3 409 730 Metallwolle, in der US-Auslegeschrift 2 034 200 Keramikpulver·oder Keramikfasern oder Drähte, in GB 1 047 4 53 Keramikringe, in Crawford's Arbeit punktweise zugeschweißte und wellige Metallbänder.

Alle diese Lösungen haben einen gemeinsamen Fehler: die Extrapolation der alltäglichen Erfahrung in das Hochtemperaturgebxet _o

Die Erfindung ist eine Folge der Auswertung eines Gedankenversuches, der in Bild 1 zu sehen ist»

Wie man entnehmen kann, ist die Wärmeleitung von Metallen nur im unteren Temperaturberich maßgebend.Die Öfen aber,

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die im. unteren ßereich betätigt werden, sind normalerweise mit keramischen Fasern oder Ziegeln isoliert. Also sind die oben genannten Lösungen zumindest unnötige Bemühungen.; Um; ein Zahlenbeispiel zu gehen: Eine 0,05 mm starke Metallfolien-Tsolation, bestehend aus 50 Umwicklungen um einen Durchmesser -von; 200 mm und eine Höhe, von 200 mm ist 31,7 m lang mit einer_:rnnentemperatur von 2800 K, leitet nur 0,088 W heraus:- -(A^-: Ίλ WKcWJ

0,05 χ 200 = 10 mm² = 0,1 cm ■

_0>li w/Kcm 2500 κ - ₌;:_Q

31,70 m ■■;■.. ^: [ /'

Bekanntlich liegen die nötigen Leistungen für diese Öfen zwischen 10 - 100 kW, also die erzielte Wärmeisolation beträgt nur 0,0001,% vom Gesamtverlust.

Man-kann den Stand .der Technik also mit Recht als unnötige Bemühung bezeichnen; er hat aber auch Nachteile.

Durch die Abstandshalter wird die Dicke der Isolation erhöht, d.h. die Außenoberfläche wird dadurch größer. Das bedeutet größeren Verlust, mehr Raumbedarf, teureren Kessel oder teurere Umhüllung. Der Ofen wird schwerer. Einige Abstandshalter beschränken die obere Temperaturgrenze, z.B. keramische Pulver oder Fasern, ^die in einer bestimmten

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Temperatur schmelzen oder katalytisch zerfallen. Diese Abstandshalter ziehen nach Erfahrung des Erfinders auch Schmutzteile auf sich. Typisch bei diesen Abstandshaltern ist es, daß die mit keramischem Pulver oder Fasern bestreute Seite der Folie nach kurzer Zeit stark verschmutzt ist, aber die andere Seite blank bleibt. Diese keramischen Abstandshalter haben selbst einen Emissionsfaktor von £**0, die Metallfolien aber, auf die sie gestreut sind, einen sol chen νοη^ΛΟ,Ι - 0,02. Die Abstandshalter erhöhen also den Strahlungsverlust des Ofens, der 99,9999 % des Gesamtverlustes im Vakuum ausmacht, und verkleinern den Leitungsver— lust, der nur unwesentlich ist„ Erwähnenswert sind die . US-Patentschrift 3-317 203-ähnlichen Lösungen, wobei die Folie für einen Abstandshalter ausgestanzt ist, also die Ausstrahlung des Ofenraumes einfach hindurch kann,£<&1. Im Falle eines Vakuumofens erschwert die erhöhte Oberfläche die Entgasung.

Die Idee der Erfindung ist es, daß man die aufeinander gelegten Folien ohne Abstandshalter sich teilweise berühren oder sogar zusammensintern lassen soll. Dabei entstehen thermische Kurzschlüsse. Diese sind jedoch uninteressant. Die bereits funktionierende Lösung zeigt übereinstimmend mit dem Gesetz der Statistik, daß diese Kurzschlußstellen von sich aus verstreut entstehen. Die Wahrscheinlichkeit, daß diese Stellen bei 50 Folien auf die gleiche Stelle fallen, ist praktisch gleich Null.

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Nach der Beobachtung des Erfinders ist es sogar praktisch " fast unmöglich, daß auf eine. Kurzschlußstelle eine dritte Folie gesintert wird, da nämlich die Kurzschlußstelle die Nachbarfolieniüberdurchschnittlich erwärmt, so daß sich diese überdurchschnittlich .ausdehnen. Da die dritte Folie bereits durch (punktförmige) Zusinterungen fixiert ist, "ist -die Reibungskraft auch beträchtlich, so daß sich die dritte Folie durchbiegt zwischen die Fix(—sinter)~Punkte, also sich von der Sinterstelle entfernt.

Um die Rechnung zu erleichtern,.sei angenommen, das jede Folie (Schicht) 10 Berührungslinien über die volle Breite hat (es ist praktisch unmöglich, da eine Zylinder- oder Planfläche von dünnen Folien nicht hergestellt werden kann, in der Praxis gibt es nur punktförmige Berührungen), dann -

entsteht nach dem thermischen Kirchhoff-Gesetz ein 10 -mal größerer Verlust. Also erhöht sich in dem schon erwähnten Fall der Verlust von 0,088 W auf 8,8 W, er ist jedoch immer noch vernachlässigbar klein: 0,01 % des Gesamtverlustes'.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung naher erläutert.

In Fig·. 2 (A) ist ein Teil der Isolation zu sehen (Querschnitt), wobei mit 1 die Folie und mit 2 eine Berührung ' " bezeichnet ist. Nach der ersten Aufheizung sieht die Isolation so aus, wie das aus Fig. 2 (_;B) zu ersehen ist. Die Folien biegen sich durch, es entstehen Sinterpunkte (bei unteren Temperatüren nur Berührungspunkte) statistisch

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verteilt und damit Zick-Zack-Wege nach außen, z„ B. zwischen 3 und 4 mit stärkerer Linie gezogen. Zur besseren Veranschaulichung wurde die Gesamtdicke der Isola-" tion/ungefähr verzehnfacht.

Die Vorteile der Folien-Hochtemperatur-Isolation sind: einfacher, billiger, leichter, schneller evakuierbar oder ausspülbar, längere Lebensdauer, chemisch reiner (ohne Fremdmaterialien) mit einer Geschwindigkeit von 1000 K/Minute aufheizbar oder abkühlbar, vor allem aber:

2 bis 3300 K verwendbar, mit nur 4,3 W/cm Leistung (statt

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ca. 50 W/cm beim Stand der Technik), auch bei 3300 K besser als 0,2 K/cm homogen im Temperaturfeld.

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Claims (1)

1. Patentansprüche -

   Wärmeisolation., vorzugsweise über 2000 K -zu benutzen, bestehend aus vielen (ca. 50.- 100) dünnen Metallfolien (z.B. W, Re, Ta, Mo), im wesentlichen parallel mit der zu .isolierenden Oberfläche angeordnet' (also ein Folienteil liegt höchstens auf 20 , normalerweise -0 - 5 -Winkel über der zu isolierenden . Oberfläche), d- a d ure h g e Tc en η ze ic h η e ty daß sich die einzelnen Folienstücke teilweise (statistisch) metallisch berühren· und daß; sich zwischen den jeweils, aus dem gleichen Metall gefertigten Folien nur Gas oder vorzugsweise. Vakuum befindet (ausgenommen die auf den äußeren kälteren Folien.nach längerem Gebrauch niedergeschlagenen Moleküle).

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