DE2509787C2

DE2509787C2 - Temperatur-Schutzgefäß für Meßeinrichtungen oder Teile von Meßeinrichtungen

Info

Publication number: DE2509787C2
Application number: DE19752509787
Authority: DE
Inventors: Hans Heinrich Prof. Dr.-Ing. 3300 Braunschweig Emschermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Testoterm Messtechnik & Co 7825 Lenzkirch D GmbH
Priority date: 1975-03-06
Filing date: 1975-03-06
Publication date: 1982-06-16
Also published as: NL7602324A; DE2509787A1; FR2303350B1; FR2303350A1; BE839335A

Description

Die Erfindung betrifft ein Temperatur-Schutzgefäß nach dem Oberbegriff des Anspruches.

Bei derartigen Temperatur-Schutzgefäßen (nachfolgend TSG genannt) ist es erforderlich — damit zur Durchführung einer zeitlich begrenzten Messung eine Meßeinrichtung an einem Ort mit hoher Umgebungstemperatur aufgestellt und für die Dauer der Messung vor der Einwirkung dieser hohen Umgebungstemperatur geschützt werden kann —, die maximale Temperatur in einem Nutzraum für eine vorgegebene Zeitdauer trotz hoher Umgebungstemperatur unterhalb einer Grenztemperatur zu halten, ohne daß laufend über einen Kühlkreis Kühlmittel — Gas oder Flüssigkeit — zur Kühlung von außerhalb herangeführt wird.

In Anlehnung an Schaltbilder der Elektrotechnik kann die Erwärmung des Nutzraumes nach einem sprunghaften Anstieg der Umgebungstemperatur ftum? — zum Beispiel infolge Einbringens des TSG in einen Ofen — vereinfacht anhand einer Rh,Cnuiz-Reihen-Ersatzschaltung erläutert werden (Bild 1). Nach einem Sprung der Umgebungstemperatur ftum_f. steigt im Nutzraum die Temperatur ·0/ν«« nach einer e-Funktion an. Bezeichnet R,h den resultierenden thermischen Widerstand der Wandung und CW die im Nutzraum befindliche Wärmekapazität, so gilt für die Zeitkonstante r dieses Temperaturanstiegs:

T =» R,h

(1)

das heißt, die Zeitkonstante τ ist groß, wenn /?,/, und Csuu groß sind.

Die Vorgänge im TSG werden selbstverständlich durch eine einfache /?C-Schaltung nicht exakt wiedergegeben. Eine genauere Nachbildung würde beispielsweise eine /^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 nichtlinear 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 Cgroß sein müssen.

Hinsichtlich der Wärmekapazität von Speichermassen sind grundsätzlich zwei Fälle zu unterscheiden:
1. Der Aggregatzustand der Speichermassen
ändert sich während der Wärmezufuhr nicht

Bezeichnet m die Masse, cdie spezifische Wärme und Δ& die Temperaturzunahme der Speichennasse, so gilt für die von ihr aufgenommene Wärme Q

Q = w ■ c · ΔΦ

Für Wasser gilt Ch₂O = 1 Kal/kg°C.

Erfolgt bei gasförmigen Speichermassen die Wärmezufuhr unter konstantem Druck p, so muß die spezifische Wärme Cp, erfolgt sie bei konstantem is Volumen V, so muß die spezifische Wärme cy in die 3erechnungsformel (2) eingesetzt werden, das heißt, bei konstantem Druck gilt:

Q = m ■ Cp ■ Δ& (2a)

und entsprechend bei konstantem Volumen

Q= m · Cv

(2b)

Cv und Cp sind für ein gegebenes Material von der Temperatur abhängig. Für Wasserdampf beträgt bei ρ = 1 bar bei einer Erhitzung auf 1200⁰C der Mittelwert Cp « 0,53 Kal/kg^oC.

2. Der Aggregajzustand der Speichermasse
ändert sich während der Wärmezufuhr

Beim Obergang von der festen zur flüssigen Phase nimmt die Speichennasse Wärme auf, ohne daß sich ihre Temperatur ändert Bezeichnet σ die spezifische Schmelzwärme, so ist zum Schmelzen des Körpers eine Wärme

Q = m · a (3)

erforderlich. Für Wasser ist σ = 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 ■ λ

Für Wasser gilt bei einer Temperatur 100⁰C:

λιοο-c = 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, doppelwandige 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 I:
ö < 0⁰C;

Bereich 2:

0°C;

Wärmeaufnahme bewirkt Erwärmung von Eis;

Wärmeaufnahme bewirkt Schmelzen von Eis;

Bereich 3;

0 < ft < 100⁰C; Wärmeaufnahme bewirkt Erwärmen von Wasser;

Bereich 4:

ft = 100°C; Wärmeaufnahme bewirkt Verdampfen von Wasser;

Bereich 5:

ft> 100° C; Wärmeaufnahme bewirkt Ober

hitzen von Wasserdampf,

Alle fünf Bereiche sind prinzipiell im TSG nutzbar; wegen des zusätzlichen 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 4 zeigt, daß 1 kg Wasser bei Erwärmung von 0⁰C auf 100⁰C in Bereich 3 100 Kai aufnimmt, in Bereich 4 bei konstanter Temperatur (10&³C) dagegen 538KaI. Die in Bereich 5 aufgenommene Wärmemenge steigt mit der erreichten Endtemperatur des Dampfes; für 1200⁰C ergeben sich etwa 580 Kai. Die Zahlen zeigen, daß die vom Wasser aufgenommene Wärmemenge im Bereich 4- 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 100⁰C liegt, daß aber der zulässige Maximalwert der Temperatur für Meßeinrichtungen, insbesondere, sofern sie Halbleiter-Bauelemente und elektrische Batterien enthalten, im allgemeinen bei etwa 70⁰C und damit einige 10° C unterhalb der Siedetemperatur des Wassers liegt

Bekannt sind TSG für Meßeinrichtungen, deren Wassergefäß in einen wärmeisolierten Behälter eingebaut ist Das Wassergefäß ist als Mantelgefäß ausgebildet und umschließt einen wasserfreien Hohlraum für der. Einbau der Meßeinrichtung. Der Nachteil dieses TSG besteht darin, daß keine oder fast keine Wärmeisolation zwischen Wasser und Meßeinrichtung existiert, so daß die Meßeinrichtung praktisch unverzögert die Temperatur des Wassers annimmt. Die Zeitkonstante dieses TSG ist daher klein, weil nur der Bereich 3 bis etwa 70⁰C ausgenutzt werden kann.

Aus [I] sind ferner TSG bekannt, deren in einen wärmeisolierenden 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. Diei^s 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 [1] etwa 6O⁰C 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 gering.

Aus [2] ist es bekannt, zur Kühlung elektrischer Geräte die Verdampfungskühlung anzuwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein TSG zu entwickeln, das einen gegenüber den bekannten Ausführungen langsameren Temperaturanstieg im Inneren, d. h. eine größere Temperatur-Zeitkonstante hat.

Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches gelöst.

Die von außen durch die Isolierung de? Behälters einströmende Wärme erhitzt zunächst das im Wassergefäß befindliche Wasser bis zum Siedepunkt (ca. 100⁰C). Strömt weiterhin Wärme ein, so beginnt die Verdampfung, Solange Wasser im Wassergefäß vorhanden ist, wird die Temperatur im Schutzraum von zum Beispiel Raumtemperatur ansteigend auf maximal 100⁰C gehaltea Die bisher beschriebenen Maßnahmen schaffen also einen Schutzraum, dessen Innentemperatur für eine begrenzte Zeit gleich der Siedetemperatur des Wassers (100⁰C) ist Da der zulässige Maximalwert ftMea max. der Temperatur für Meßeinrichtungen, wie bereits oben ausgeführt, von Sonderfällen abgesehen im allgemeinen etwa bei 70⁰C und damit einige 10⁰C unterhalb der Siedetemperatur des Wassers liegt, ist der Schutzraum direkt als Aufnahmeraum für die Meßeinrichtung ungeeignet

In den Schutzraum wird deshalb ein Dewar-Gefäß gebracht, dessen Innenraum als Nuuraum zur Aufnahme der Meßeinrichtung dient Der iwrch 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 unterhalb der Temperatur ftMcBmax. zu halten. Betriebsfall heißt, daß sich das Dewar-Gefäß im 100⁰C heißen Schutzraum befindet

Das Ersatzbild dieser beschriebenen Anordnung ist eine zweistufige ÄC-Kettenschaltung (Bild 2). Die Bildbezeichnungen bedeuten:

Rt
Ch₂O

thermischer Widerstand des wärmeisolierten Behälters;

(temperaturabhängige) Wärmekapazität des gefüllten Wassergefäßes;
thermischer Widerstand des Dewar-Gefäßes;

Wärmekapazität des gefüllten Dewar-Gefäßes (gefüllt mit Meßeinrichtung plus gegebenenfalls Zusatzmassen);
Umgebungstemperatur;
Temperatur im Wassergefäß;
Temperatur im Dewar-Gefäß.

In Bild 3 sind etwas idealisiert die Temperaturkennlinien für ftumgeh, ftujo und ftoew dargestellt. Zu;n Zeitpunkt fi wird das TSG in die heiße Umgebung gebracht. Die Temperatur am Eingang der RC-Keltenschaltung springt auf den Wert ftumgeb.- Infolge der über den thermischen Widerstand R₁/, bo, des wärmeisolierten Behälters einströmenden Wärme steigt die Temperatur #Η2θ des Wasserbehälters zunächst exponentiell auf 100° C (Zeitpunk; t₂). Wegen des jetzt beginnenden Siedevorganges bleibt die Temperatur so lange konstant, bis das Wasser vollständig verdampft ist (Zeitpunkt /j). jetzt existiert nur noch die geringe Wärmekapazität der Wassergefäßwandung, deren Temperatur jetzt sehr rasch ansteigt Der Anstieg der Temperatur ftoew L*n Dewar beginnt ebenfalls im Zeitpunkt i|. Er ist zwischen it und b besonders klein, da klein ist; ab h hat er einen exponentiellen Verlauf.

Mit handelsüblichen Dewar-Gefäßen ist es ohne Schwierigkeit möglich, für eine Zeitdauer fj — ti von mehreren Stunden 0oe* kleiner als 70⁰C zu halten. Spätestens zum Zeitpunkt /3 muß aber der Versuch abgebrochen werden, da von hier an #z>» rasch ansteigt und damit die Meßeinrichtung gefährdet ist. Als zulässige Meßzeit steht die Zeit h — U zur Verfügung.

Führt die Dampfaustrittsöffnung direkt in die heiße Umgebung des TSG, so finden innerhalb des TSG nur die Wassererwärmung (Bereich 3), die Wasserverdampfung (Bereich 4) und gegebenenfalls die Vorgänge nach Bereich 1 und 2 statt. Infolgedessen nehmen auch nur diese 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 TSG durch die von außen einströmende Wärme erhitzt wird. Anders ausgedrückt, der Dampf wird durch Umlenkbleche so geführt, daß er Teile der TSG-Wandung oder der Isolation, die durch die einströmende Wärme erhitzt worden 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 4. Das Wassergefäß 3 befindet sich im wärmeisolierenden Behälter 1. Das Umlenkblech 4 ist als Hohlzylinder ohne Deckel ausgebildet, der mit der Öffnung nach unten über das Wassergefäß 3 gestülpt ist. Der aus dem Wassergefiiß 3 durch die Dampfaustrittsöffnung 6 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 5 ins Freie. Der Dampf ist auf seinem Wege überhitzt worden und hat dem Isoliermaterial beziehungsweise dem gesamten TSG Wärme entzogen.

In Bild 4 ist auch der Schutzraum 7. das Dewar-Gefäß 8 und der Nutzraum 9 eingezeichnet.

[1] Clemens, H.,

»Erfahrungen mit der telemetrischen Temperaturmessung in Emaillieröfen«:

HVG-Mitteilung Nr. 1053, August 1967. der Hüttentechn. Vereinigung der Deutschen Glasindustrie e.V., Frankfurt/Main.

[2] Feingerätetechnik 21. Jg. Heft 12/1972. S. 537-540.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch;

Temperatur-Schutzgefäß für Meßeinrichtungen oder Teile von Meßeinrichtungen mit einem in einem innen Wärmeisoliermaterial aufweisenden Behälter eingebauten Wassergefäß, das thermisch leitend mit einem Schutzraum verbunden ist, der so dimensioniert ist, daß darin ein Dewar-Gefäß Aufnahme findet, in dessen Nutzraura die Meßeinrichtung oder Teile der Meßeinrichtung eingebaut sind, dadurch gekennzeichnet,
daß das Wassergefäß (3) mit einer oder mehreren Dampfaustrittsöffnungen (6) versehen ist, und
daß dem ausströmenden Dampf durch Umlenkungen ein Dampfweg zwischen Wasseroberfläche und Außenseite des wärmeisolierenden Behälters (1) so vorgegeben ist, daß dieser Dampfweg länger ist als der kürzeste Abstand zwischen Wasseroberfläche und Außenseite des wärrneisolierenden Behälters.