Prof. Dr.-Ing. Hans Heinrich Emschermann
3 300 Braunschweig Helgolandstraße 59 F
Temperatur-Schutzgefäß für Meßeinrichtung
In der Technik wird häufig die Aufgabe gestellt, die maximale Temperatur
in einem Nutzraum für eine vorgegebene Zeitdauer trotz hoher Außentemperatur unterhalb einer Grenztemperatur zu halten, ohne daß
laufend über einen Kühlkreis Kühlmittel, Gas oder Flüssigkeit, zur Kühlung von außerhalb herangeführt wird. Diese Aufgabe tritt insbesondere
in der Meßtechnik auf, wenn zur Durchführung einer zeitlich begrenzten Messung eine Meßeinrichtung an einem Ort mit hoher
Außentemperatur aufgestellt und die Meßeinrichtung für die Dauer der Messung vor der Einwirkung dieser hohen Außentemperatur geschützt
werden muß.
Zum Schutz vor hohen Außentemperaturen werden Temperatur-Schutzgefäße
(nachfolgend TSG genannt) benutzt, deren Wandung einen hohen thermischen Widerstand zwischen dem innen liegenden Nutzraum und der
hohen Außentemperatur darstellt und in deren Nutzraum die Meßeinrichtung, gegebenenfalls gemeinsam mit zusätzlichen Wärmespeichermassen,
angeordnet ist.
In Anlehnung an Schaltbilder der Elektrotechnik kann die Erwärmung
des Nutzraumes nach einem sprunghaften Anstieg der Außentemperatur "J^Auss - zum Beispiel infolge Einbringens des TSG in einen Ofen vereinfacht
anhand einer RthCN t -Reihen-Ersatzschaltung erläutert
werden (Bild 1). Nach einem. Sprung der Außentemperatur .J". steigt ·
im Nutzraum die Temperatur --^n . nach einer e-Funktion an. Bezeichnet
Rth ^en resul"tieren<^en thermischen Widerstand der Wandung und Cn
die im Nutzraum befindliche Wärmekapapzität, so gilt für die Zeitkonstante
l> dieses Temperaturanstieges:
X - Rth * 0NUtZ · (1)
das heißt, die Zeitkonstante X ist groß, wenn R , und Cn, - groß sind.
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Die Vorgänge im TSG werden selbstverständlich durch eine einfache RC-Schaltung nicht exakt wiedergegeben. Eine genauere Nachbildung
würde beispielsweise eine RC-Kettenschaltung erfordern. Eine besonders
gute Übereinstimmung zwischen Modell und Wirklichkeit würde sogar ein noch komplizierteres RC-Netzwerk notwendig machen, wobei
außerdem R und C gegebenenfalls noch als nichtiinear eingesetzt werden müßten. Für alle diese Ersatz-Netzwerke gilt aber die allgemeine
Grundregel, daß zur Erzielung einer großen Zeitkonstante die thermischen
Widerstände R und die Wärmekapazitäten C groß sein müssen.
Hinsichtlich der Wärmekapazität von Speichermassen sind grundsätzlich
zwei Fälle zu unterscheiden:
während der Wärmezufuhr nicht.
Bezeichnet m die Masse, c die spezifische Wärme und die Temperaturzunahme der Speichermasse, so gilt für
die von ihr aufgenommene Wärme Q
Q = m . c . AJ (2)
Für Wasser gilt cH Q = 1 Kal/kg°C
Erfolgt bei gasförmigen Speichermassen die Wärmezufuhr unter konstantem Druck p, so muß die spezifische Wärme c ,
erfolgt sie bei konstantem Volumen V, so muß die spezifische Wärme c„ in die Berechnungsformel (2) eingesetzt
werden, das heißt, bei konstantem Druck gilt:
Q = m . c. £ J (2a)
und entsprechend bei konstantem Volumen
Q = m . cv . &J ' (2b)
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Cy und c sind für ein gegebenes Material von der Temperatur abhängig.
Für Wasserdampf beträgt bei ρ = 1 bar Dei einer Erhitzung
auf 1200 0C der Mittelwert c ^0,53 Kal/kg°C.
Der Aggregatzustand_der_Sp_eichermasse_ändert_sich
3eim Übergang von der festen zur flüssigen Phase nimmt die Speichermasse
Wärme auf, ohne daß sich ihre Temperatur ändert. Bezeichnet df
die spezifische Schmelzwärme, so ist zum Schmelzen des Körpers eine Wärme
Q = m . (T (3)
erforderlich. Für Wasser ist (T = 80 Kal/kg.
Auch beim Übergang aus der flüssigen in die gasförmige Phase wird vom Körper Wärme aufgenommen, ohne daß sich die Temperatur ändert.
Die spezifische Verdampfungswärme λ ist abhängig von der Temperatur und vom Material. Die zur Verdampfung erforderliche Wärme beträgt
Q = m . A ■ ■ (4)
Für Wasser gilt bei einer Temperatur 100 0C: A 1QQ Op =538 Kal/kg.
Hohe thermische Widerstände erzielt man durch Schichten aus Materialien
geringer spezifischer Wärmeleitfähigkeit und hochporöser oder faserartiger Struktur. Da deren mechanische Festigkeit gering ist,
wird derartiges Material als Füllung zwischen Gefäßwände eingebracht. Besonders hohe thermische Widerstände haben Dewar-Gefäße,
das heißt, do,ppelwandige Gefäße, deren Zwischenraum evakuiert ist.
Für TSG wird häufig Wasser als Speichermasse benutzt wegen der geringen
Kosten, der sauberen Handhabung und der hohen spezifischen Wärme. Dabei lassen sich hinsichtlich der Wassertemperatur fünf verschiedene
Bereiche unterscheiden:
Bereich 1: γ^ 0 0C; Wasseraufnahme bewirkt Erwärmung von Eis;
Bereich 2:^=0 0C; Wärmeaufnahme bewirkt Schmelzen von Eis;
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-H-
Bereich 3: O < J ^ 100 0C; Wärmeaufnahme bewirkt Erwärmen
von Wasser;
Bereich 4: /K = 100 0C; Wärmeaufnahme bewirkt Verdampfen von
teer
Bereich 5:
> 100
C; Wärmeaufnahme bewirkt Überhitzen von Wasserdampf.
fünf Bereiche sind prinzipiell im TSG nutzbar; wegen des zusätzlich
-n Aufwandes bei der Verwendung von Eis sind aber die Bereiche
1 und 2 nur in Sonderfällen von technischem Interesse.
Ein Vergleich der Bereiche 3 und U zeigt, daß 1 kg Wasser bei Erwärmung
von 0 0C auf 100 0C in Bereich 3 100 Kai aufnimmt, im Bereich
4·, bei konstanter Temperatur (100 0C), dagegen 538 Kai. Die
in Bereich 5 aufgenommene Wärmemenge steigt mit der erreichten Endtemperatur des Dampfes; für 1200 0C ergeben sich etwa 580 Kai. Die
Zahlen ze-^jen, daß die vom Wasser aufgenommene Wärmemenge im Bereich
und bei hohen Endtemperaturen auch in Bereich 5 erheblich größer ist als in Bereich 3. Zur Herstellung von TSG mit großer Zeitkonstante
ist es daher notwendig, .die Speicherkapazität des Wassers nicht nur
in Bereich 3, sondern auch in Bereich 4 und 5 zu nutzen.
Bei Nutzung von Bereich 4 muß berücksichtigt werden, daß die Siedetemperatur
des Wassers bei 100 0C liegt, daß aber der zulässige Maxi- ,
malwert der Temperatur für Meßeinrichtungen, insbesondere, sofern sie Halbleiter-Baue? mente und elektrische Batterien enthalten, im allgemeinen
bei etwa 70 0C und damit einige 10 0C unterhalb der Siedetemperatur
des Wassers liegt.
Bekannt sind TSG für Meßeinrichtungen, deren Wassergefäß in einen wärmeisolierten Behälter eingebaut ist. Das Wassergefäß ist als Mantel·
gefäß ausgebildet und umschließt einen wasserfreien Hohlraum für den Einbau der Meßeinrichtung. Der Nachteil dieses TSG besteht darin, daß
keine oder fast keine Wärmeisolation zwischen Wasser und Meßeinrichtunj
existiert, so daß die Meßeinrichtung praktisch unverzögert die Tempera*
tür des Wassers annimmt. Die Zeitkonstante dieses TSG ist daher klein,
weil nur der Bereich 3 bis etwa 70 C ausgenutzt werden kann.
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Bekannt sind ferner TSG, deren in einen wasserisollerten Behälter
eingebautes Wassergefäß als Mantelgefäß ausgebildet ist und einen wasserfreien Raum umschließt, in dem ein Dewar-Gefäß angeordnet ist,
in dessen Innenraum die Meßeinrichtung eingebaut wird. Dieses TSG hat,
.gegenüber dem eingangs geschilderten TSG den Vorteil, daß die Temperaturschwankungen
im Dewar-Gefäß.und damit diejenigen der Meßeinrichtung
erheblich geringer als die Temperaturschwankungen des Wassergefäßes sind. Als obere Wassertemperatur sind in der Literaturstelle £lj
etwa 60 C genannt. Maßnahmen, um ein Arbeiten im Bereich 4- zu ermöglichen,
sind nicht angegeben. Weil nur- der Bereich 3 benutzt wird, ist die Zeitkonstante des TSG klein.
Die nachstehend beschriebene Erfindung vermeidet diese Nachteile.
Erfindungsgemäß wird zunächst in einem Schutzraum, der von einem Wassergefäß
ganz oder teilweise umschlossen ist, für eine begrenzte Zeit eine Temperatur·, die höchstens gleich der Siedetemperatur des Wassers
ist, erzeugt. Das geschieht dadurch, daß das Wassergefäß mit einem oder mehreren Dampfaustrittsöffnungen versehen und in einem wärmeisolierten
Behälter angeordnet wird. Die von außen durch die Isolierung des Behälters einströmende Wärme erhitzt zunächst das im Wassergefäß
befindliche Wasser bis zum Siedepunkt (ca. 100 0C). Strömt
weiterhin Wärme ein, so beginnt die Verdampfung. Damit während des Verdampfungsvorganges keine Druck- und damit auch keine Siedepunkter- ■
höhung im Wassergefäß eintritt, werden erfindungsgemäß die wirksamen Querschnitte der Dampfaustrxttsöffnungen und des gesamten Dampfaustrittsweges
von der Wasseroberfläche im Wassergefäß durch das TSG bis in die Umgebung außerhalb des TSG groß und so der Strömungswiderstand
des Austrittsweges und damit der Druckabfall des ausströmenden Dampfes längs des Austrittsweges klein gemacht. Führt die dampfdurchlässige
öffnung direkt in die heiße Umgebung des TSG, so findet innerhalb des
TSG nur die Wassererwärmung und die Wasserverdampfung statt. Infolgedessen
nehmen auch nur diese beiden Vorgänge Wärme auf. Die für die anschließende Dampfüberhitzung erforderliche Wärme wird dann unmittelbar
der Umgebung entnommen und hat daher auf die Wärmebilanz des TSG keinen Einfluß. Um auch den Bereich 5 zu nutzen, wird in weiterer Ausführung
der Erfindung das TSG so gebaut, daß der Dampf innerhalb des
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TSG durch die von außen einströmende Wärme erhitzt wird. Anders aus-
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ampi wxrd durch ürnlenkbleche so geführt, daß er Teile
der TSG-Wandung oder der Isolation, die durch die einströmende Wärme
θ.τ>Κίΐι·ζ.ΐ: wQr>derv sind, unter· Erhöhung seiner eigenen Temperatur kühlt.
Auf diese Weise wird nur noch ein Teil der durch die Außenwand des
TSG einströmenden Wärme in das Wasser gelangen und somit dessen Verdampfung
verlangsamt und damit letztlich die Zeitkonstante des TSG vergrößert.
Ein Beispiel für die Anbringung eines solchen Umlenkbleches zeigt Bild 2. Das Wassergefäß 3 befindet sich im wärmeisolierenden Behälter
Das Umlenkblech 4 ist als Hohlzylinder ohne Deckel ausgebildet, der
mit der Öffnung nach unten über das Wassergefäß 3 gestülpt ist. Der aus dem Wassergefäß 3 austretende Dampf - hier als gestrichelte Linie
gezeichnet - strömt durch das Isoliermaterial 2 an der Innenseite des Umlenkbleches 4· nach unten, anschließend an dessen Außenseite nach
oben und tritt schließlich durch den Schlitz zwischen Behälter 1 und Deckel S ins Freie. Der Dampf ist auf seinem Wege überhitzt worden
und hat dem Isoliermaterial beziehungsweise dem gesamten TSG Wärme entzogen.
Solange Wasser'im Wassergefäß vorhanden ist, wird die Temperatur im
Schutzraum von zum Beispiel Raumtemperatur ansteigend auf maximal 100 {
gehalten. Die bisher beschriebenen Maßnahmen schaffen also einen Schut: raum, dessen Innentemperatur für eine begrenzte Zeit gleich der Siedetemperatur
des Wassers (100 0C) ist. Da der zulässige Maximalwert v^vt^ft m-,v der Temperatur für Meßeinrichtungen, wie bereits auf Seite
ausgeführt, von Sonderfällen abgesehen im allgemeinen etwa bei 70 0C
und damit einige 10 0C unterhalb der Siedetemperatur des Wassers liegt
ist der Schutzraum direkt als Aufnahmeraum für die Meßeinrichtung ungeeignet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird deshalb in den Schutzraum
ein Dewar-Gefäß gebracht, dessen Innenraum als Nutzraum zur Aufnahme der Meßeinrichtung dient. Der durch Dewar-Wandung, -hals und
-deckel und Zuleitungen zur Meßeinrichtung bestimmte thermische Widerstand des Dewar-Gefäßes kann zusammen mit der im Nutzraum befindlichen
Wärmespeicherkapazität der Meßeinrichtung und gegebenenfalls zusätzlich
eingelagerter Speichermassen so dimensioniert werden, daß die■
Zeitkonstante des gefüllten Dewar-Gefäßes ausreichend groß ist, um im Betriebsfall die Nutzraumtemperatur für die Dauer der Meßzeit unter
nalb der Temperatur X „ zu halten. Betriebsfall heißt, daß sich
das Dewar-Gefäß im 100 0C heißen Schutzraum befindet.
Das Ersatzbild dieser beschriebenen Anordnung ist eine zweistufige
RC-Kettenschaltung (Bild 3). Die Bildbezeichnungen bedeuten:
R., □ , ·'= thermischer Widerstand des wärmeisolierten Behälters
Crr« - (temperaturabhängige) Wärmekapazität des gefüllten
2 Wassergefäßes
RD s thermischer Widerstand des Dewar-Gefäßes
Cw = Wärmekapazität des gefüllten Dewar-Gefäßes
(gefüllt mit Meßeinrichtung plus gegebenenfalls ' Zusatzmassen)
λ s : = Außentemperatur
^H2Q . = Temperatur im Wassergefäß
Dew = Temperatur im Dewar-Gefäß.
Dew
0 In Bild ■+ sind etwas idealisiert die Temperaturkennlinien für ^%
/V4TT Q und svL dargestellt. Zum Zeitpunkt t. wird das TSG in die
heiße Umgebung gebracht. .Die Temperatur am Eingang der RC-Kettenschaltung
springt auf den Wert s& . Infolge der über den thermischen Wider
stand R., ß , des wärmeisolierten Behälters einströmenden Wärme, steigt
die Temperatur "*„ Q des Wasserbehälters zunächst exponentiell auf 100
(Zeitpunkt t„). Wegen des jetzt beginnenden Siedevorganges bleibt die
Temperatur so lange konstant, bis das Wasser vollständig verdampft ist (Zeitpunkt t3).C^ Jetzt existiert nur noch die geringe Wärmekapazität
ier Wassergefäßwandung, deren Temperatur jetzt sehr ra-sch ansteigt.
i^er. Anstieg der Temperatur <vL im Dewar beginnt ebenfalls im Zeitpunkt
t-,. Er ist zwischen t. und to besonders klein, da ^ klein ist; ab
■L - Xi ii„U
z~ hat er einen exponentielleri Verlauf. Mit handelsüblichen Dewar-Gefüßen
ist es ohne Schwierigkeit möglich, für eine Zeitdauer t-, - to
von mehreren Stunden vl kleiner als 70 0C zu halten. Spätestens zum
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Zeitpunkt t_ muß aber der Versuch abgebrochen werden, da von hier
an /vL rasch ansteigt und damit die Meßeinrichtung gefährdet ist.
Als zulässige Meßzeit steht die Zeit t3 - t* zur Verfugung.
An den wärmeisolierten Behälter werden zwei Forderungen gestellt: Er muß ein gewisses Maß an Formstabilität und mechanischer Festigkeit
aufweisen und gleichzeitig das Eindringen von Wärme in das Innere des Gefäßes hindern. Besonders hohe thermische Widerstandswerte erzielt
.nan durch Verwendung hochporöser-oder faserartiger Materialien, deren
mechanische Festigkeit allerdings gering ist. Im einfachsten Fall ähnelt daher der wärmeisolierende Behälter im Aufbau einer Art Kochkiste.
Er besteht aus einem dünnwandigen Behälter, ähnlich einem Topf oder einer Kiste, insbesondere aus Blech oder keramikartigem Material
(Bild 5a); auf der Innenseite der Außenwand 1 ist er mit einer Schicht hochwertigem Wärmeisolier-Materials 2 versehen, so daß ein Hohlraum
entsteht, in dem das Wassergefäß untergebracht ist.
Um dem wärmeisolierenden Material einen besseren mechanischen Halt
zu geben, kann der wärmeisolierte Behälter auch doppelwandig ausgeführt werden (Bild 5b), wobei Wärmeisolier-Material 2 zwischen die
beiden Wandungen 1 und 3 gefüllt wird.
Besonders hochisolierend sind Dewar (Bild 5c), das heißt, doppelwand!-■
ge Gefäße, bei denen der Raum 2 zwischen den beiden Wandungen 1 und
evakuiert ist. Die Bezeichnung "Dewar" wird nur benutzt, wenn der wärmeisolierende Behälter gemeint ist, die Bezeichnung "Dewar-Gefäß"
•gilt nur für das Gefäß im Schutzraum. Glas-Dewar sind oberhalb von
500 0C nicht einsetzbar. Metall-Dewar erfordern bei hohen Temperaturen
wegen der Vakuumdichtigkeit erheblichen Aufwand. Die Herstellung von Quarz-Dewar bringt deshalb bei hohen Temperaturen Fertigungsvorteile
(Bild Sd).
Bei hohen Temperaturen tritt beim Dewar ein Wärmedurchgang infolge
Strahlung auf. Diese Strahlung kann -gemäß Abbildung 5e durch Einoringen
hochporöser Isoliermassen 2 in den evakuierten Raum zwischen den Dewar-Wandungen 1 und 3 vermindert werden. Eine besonders wirksame
Verminderung der durch Strahlung übertragenen Wärme kann durch Anbringen von Strahlungsschirmen in.den Strahlengang geschehen.
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Wirksamkeit dieser Maßnahme hängt wesentlich von der Qualität der Schirmoberfläche ab. Besonders gute Reflexionseigenschaften
haben poliertes Gold, Silber und Kupfer?.; Schon aus Preisgründen kommen nur Schirme aus billigem Material mit dünnen Überzügen aus hochwertigen
Materialien in Frage. Die Temperaturbeständigkeit der Überzüge
ist bei verschiedenen Materialien unterschiedlich. Gold diffundiert beispielsweise bei 500 0C in relativ kurzer Zeit in ein Grundmaterial
aus Edelstahl, während Kupfer noch bei höheren Temperaturen noch beständig ist. Andererseits besitzt Gold einen höheren Reflexionsgrad.
Zur Erzielung einer guten Strahlungsabschirmung wäre es daher zweckmäßig, ausschließlich Schirme mit Goldüberzug zu verwenden. Würde_
man bei hohen Außentemperaturen aber ausschließlich Goldüberzüge verwenden, würden die äußeren heißen Schirme nach kurzer Zeit den Goldüberzug
durch Diffusion verlieren. Bei ausschließlicher Verwendung von Kupferüberzügen würde dagegen von Anfang an die Abschirmwirkung
geringer sein.
Erfindungsgemäß erreicht man ein Abschirmoptimum dadurch, daß die Schirme nach Reflexionseigenschaften und Temperaturbeständigkeit gestaffelt
angeordnet werden, und zwar die Schirme mit gut reflektierenden aber weniger "temperaturbeständigen Überzügen innen, dagegen die mit
weniger gut reflektierenden aber temperaturbeständigen Überzügen außen,
derart, daß die maximal zulässige Temperatur des betreffenden Überzuges nicht überschritten wird.
Soll der Schutzraum von außen zugänglich sein, damit z.B. das Dewar-^Poij
mit der Meßeinrichtung zum Batteriewechsel oder zur Reparatur oder
aus anderen Gründen herausgenommen werden kann, so muß der Schutzraum
einen Ausgangshals durch die Wandung des wärmeisolierenden Behälters besitzen, der durch einen Deckel verschlossen werden kann. Bei derartigen
Konstruktionen strömt Wärme auch über den Deckel und den Ausgangshals in den Schutzraum. Um die einströmende Wärme klein zu halten, muß
der thermische Widerstand des Deckels und des Ausgangshalses in Richtung
auf den Nutzraum groß sein, das heißt, der Materialquerschnitt der Wandung
von Ausgangshals und Deckel muß klein, ihre wirksame Länge groß sein. Dieser Materialquerschnitt wird besonders klein, wenn sowohl der
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Umfang des Öffnungsquerschnittes des Ausgangshalses als auch die Wanddicke von Ausgangshals und Deckel klein ist und wenn außerdem
für Ausgangshals und Deckel ein Material mit geringer spezifischer Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Verzichtet man auf die Möglichkeit,
den Wasserbehälter auszubauen, so kann erfindungsgemäß der Materialquerschnitt dadurch klein gehalten werden, daß der Halsquerschnitt
kleiner als der Querschnitt des Schutzraumes gewählt wird und daß ferner die Wanddicke von Ausgangshals und Deckel kleiner
als die Wanddicke der Behälter-Außenwand ist. FertigungsSchwierigkeiten
und Festigkeitsforderungen begrenzen die Wanddicke zu kleineren Werten hin. Die wirksame Länge der Wandung kann durch Verwendung
von Wellrohr vergrößert werden.
Literatur
Clemens, H., Heimerzheim:
"Erfahrungen mit der telemetrischen Temperaturmessung in
Emaillieröfen"; >
HVG-Mitteilung Nr. 1053, DK 621.398:536.5, August 1967,
der Hüttentechn. Vereinigung der Deutschen Glasindustrie e.V. ,
Frankfurt/Main.
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