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Beilaufkühleinrichtung für unterirdisch verlegbare Rohrgaskabel Die
Erfindung betrifft eine Beilaufkühleinrichtung für unterirdisch verlegbare Rohrgaskabel
mit wenigstens je einem elektrischen Leiter.
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Der Zweck der Erfindung liegt in einer Verbesserung der Rohrgaskabelkühlung
und somit auch Kabelkühlung allgemein
bei gleichzeitiger tereinfachung
der Herstellung von solchen Beilaufkühleinrichtungen, wobei auch eine Vereinfachung
und Verbilligung einer gegebenenfalls erforderlichen Kabel- und/oder Kühleinrichtungsrevision
erreicht wIrd.
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Bekanntlich besteht der Wärmedurchgang durch zwei durch eine Wand
getrennte gasförmige oder flüssige Medien aus drei Einzelvorgängen, nämlich zwei
Wärmeübergängen und einem Wärmeleitvorgang durch die Wand. Damit ein Wärmeübergang
vor sich geht, muss zwischen der jeweiligen Wandoberfläche und dem angrenzenden
Medium eine Temperaturdifferenz bestehen wie dies insbesondere aus Fig. 1 der Patentzeichnung
ersichtlich ist. Es gilt demnach für einen von innen nach aussen erfolgenden Wärmedurchgang,
dass die mittlere Temperatur des Mediums
innen grösser als die Wandtemperatur
innen
grösser als die Wand temperatur
aussen und
endlich grösser als die mittlere Temperatur des Mediums
aussen ist:
Der WärmeUbergang vom Medium innen an die Wand sowie von der Wand an das Medium
aussen erfolgt in einem sehr komplizierten Vorgang. Zur Vereinfachung der rechnerischen
Erfassung dieses Vorganges setzt man die vom inneren Medium auf die innere Wand
in der Zeiteinheit übergehende Wärme-Q menge z , wobei mit Q die Wärmemenge und
mit z die Zeit
bezeichnet ist, also den Wärmestrom Q z
proportional der Differenz
so dass man
erhält, wobei mit A die Fläche der Wand bezeichnet ist, über die der Wärmeübergang
erfolgt, und
der Proportionalitätsfaktor ist, der als Wärmeübergangskoeffizient bezeichnet wird.
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gemessen in kcal/m2h grd ist demnach die Wärmemenge, die bei einer
Temperaturdifferenz von 2 1 Grad zwischen Medium und Wand und umgekehrt auf im in
einer Stunde übertragen wird.
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kann bekanntlich zwischen weiten Grenzen schwanken, weil dieser Wert
von der Art und der Geschwindigkeit der Strömung des Mediums, der Art des Mediums,
seinem Druck, seiner Temperatur u.a.
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mehr abhängig ist. Der Wärmeübergang erfolgt hierbei über die an der
Wand befindlichen Gas- oder Flüssigkeitsteilchen und geht in einer dünnen Grenzschicht
vor sich.
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Für den Wärmeübergang von der Wand an das Medium aussen gilt dann
entsprechend :
Der vorgenannte Wärmeleitvorgang geht in der Wand mit der Dicke
vor sich. Hierbei geht der Wärmestrom
von
| den Stellen höherer Temperatur g 1 zu den im |
| befindlichen Stellen mit niedrigerer Temperatur |
| über. Erfahrungsgemäss ist dr Wärmestrom direkt |
| proportional der Temperaturdifferenz ( F/1(f/3) und |
| der Fläche A sowie umgekehrt proportional der Dicke |
der Wand. Es gilt daher
wobei der empirisch definierte Proportionalitätsfaktor
eine die Wand kennzeichnende Stoffkonstante ist, die als Wärmeleitfähigkeit oder
Wärmeleitzahl bezeichnet wird.
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Die in kcal/h m grd gemessene Wärmeleitfähigkeit oder Wärmeleitzahl
stimmt zahlenmässig mit derjenigen Wärmemenge überein, die in 1 h durch 1 m2 einer
lm dicken Wand fliesst, wenn der Temperaturunterschied der beiden Wandoberflächen
1 grd heträgt.
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Der von der einen Seite der Wand nach der anderen Seite gehende Wärmestrom
genügt demnach den drei vorstehenden Gleichungen (I,II,III). Berechnet man nun
und
| aus aus den beiden |
| rl t i 41 A |
erstgenannten Gleichungen (I und II) zu und
und setzt man diese Werte in die letztgenannte Gleichung (III)
ein, so ergibt sich
Die Summe der beiden Wärmeübergangswiderstandskoeffizienten
zusammen mit dem Wärmeleitwiderstandskoeffizienten
wird als Wärmedurchgangswiderstands koeffizient 1/k bezeichnet
Der Kehrwert
wird als Wärmedurchgangskoeffizient benannt.
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Bei dem gesamten vorstehend betrachteten Wärmedurchgang gilt demnach
für den Wärmestrom
wobei A den Flächeninhalt einer der beiden Wandoberflächen
die mittlere Temperatur des Mediums innen und
die mittlere Temperatur des Mediums aussen bedeutet.
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Bei mehrschichtigen Wänden oder mehreren hintereinander yeschalteten
Wänden lässt sich leicht zeigen, dass
wobei für jede Schicht oder Wand ein
in Rechnung zu setzen ist.
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Schreibt man
setzt k ein und rechnet au, so ergibt sich
wobei die Grössen
als WärmebeLgangswiderstände und die Grosse
als Wärmeleitwiderstand bezeichnet werden.
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Es zeigt sich demnach, dass für den Wärmestrom
ausser der Temperaturdifferenz zwischen den Medien der Wärmeübergangs- sowie der
Wärmeleitwiderstand (bei einer mehrschichtigen Wand oder mehreren Wänden die Wärmeleitwiderstände)
massgebend sind, wobei
der Wärmeübergangskoeffizient und
die Wärmeleitzahl ist.
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Es ist nun bereits bekannt, bei elektrischen Kabeln deren in axialer
Richtung sich erstreckenden Kern etwa rohrförmig freizulassen und mittels eines
durchströmenden Kühlmediums die im jeweiligen Kabel entstehende Joule'sche Wärme
möglichst unmittelbar abzuführen.
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Weiters ist auch bereits vorgeschlagen worden, das Kabel in ein querschnittmässig
grösseres Rohr einzuziehen und den verbleibenden freien Raum zwischen Kabel und
Rohrinnenwand mittels eines strömenden Kühlmediums auszufüllen (Electrical Review,
20. July 1973, Seite 86).
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Wenn nun bei der erstgenannten Ausführung das insbesondere aus Oel
oder Wasser bestehende KUhlmedium die etwa rohrförmige Innenwand des Kabels ohne
Zwischenschaltung einer Isolation kühlt, liegt der günstige Fall einer direkten
des Leiters Kühlung1vor. Das in Betracht gezogene System besteht dann zur Gänze
aus einem strömenden Kühlmedium, das im Kabel inneren einen erheblichen Teil der
Verlustwärme übernimmt und abführt, während der restliche Teil der Verlustwärme
über die Leiterisolation sowie die Isolationsschützhülle an die Kabelumgebung, z.B.
den Boden, abgegeben wird.
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Wenn man nun zur Vereinfachung aller weiteren Abschätzungen die Zylinder-
oder Rohrform der Leiter bzw. Isolierungen und
Schutzmäntel u.s.w.
vernachldssigt, ist bei dem letztgenannten System ausser der Temperaturdifferenz
zwischen dem rohrförmigen Kabelleiter und dem darinnen strömenden Oel oder Wasser
sowie der Temperaturdifferenz zwischen diesem Kabelleiter und dem das Kabel umgebenden
Boden der Wärmeübergangswiderstand zwischen Leiterrohr und Oel oder Wasser, der
Wärmeleitwiderstand der das Leiterrohr umgebenden Leiterisolation, der Wärraeleitwiderstand
der Isolationsschutzhülle sowie der Wärmeleitwiderstand des das Kabel umgebenden
Bodens massgebend. Bei Vorhandensein einer Isolation zwischen Leiterrohr und Oel
oder Wasser wäre auch noch der Wärmeleitwiderstand dieser Isolation in Rechnung
zu setzen. Zusammenfassend handelt es sich also um einen isolierten Leiter mit FlüssigkeitskilhllJng,
der über weitere das Kabel umgebende Schichten einen Teil der Verlustwärme an den
Boden abgeben kann, dessen Warmeleitwiderstand reichlich unbestimmt ist.
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Aber auch bei dem an zweiter Stelle vorgenannten bekannten direkt
kühlenden System bestehend aus einem in einem äusseren Rohr innenliegenden isolierten
Kabel mit Kühlung durch ein zwischen Kabel und äusserem Rohr strömendes flüssiges
Medium, wie Wasser, ist einerseits die Temperaturdifferenz zwischen Kabelleiter
und Medium und andererseits die Temperaturdifferenz zwischen diesem Leiter und dem
das äussere Rohr umgebenden Boden zu berücksichtigen. Da das isolierte Kabel zumindest
längs
einer Rohrerzeugenden bzw. Zone innen auf dem Rohr aufliegt,
ist der Wärmeleitwiderstand der Kabelisolation, der Wärmeübergangswiderstand der
zwischen Kabelisolation und äusserem Rohr in dieser Zone befindlichen Grenzschicht
aus Wasser, der Wärmeleitwiderstand der Rohrwand des äusseren Rohres und der schwer
definierbare Wärmeleitwiderstand des im Bereich dieser Rohrzone befindlichen Bodens
zu berücksichtigen. ür den überwiegenden Teil dieses Systems ist jedoch der zwischen
der Kabelisolation und der Rohrinnenwand des äusseren Rohres befindliche kühlende
Wassermantel in Rechnung zu setzen, so dass also noch der Wärmeübergangswiderstand
zwischen Kabelisolation und Wasser sowie der Wärmeübergangswiderstand zwischen Wasser
und Innenwand sowie der Wärmeleitwiderstand des äusseren Rohres zu berücksichtigen
ist, wobei der das äussere Rohr umgebende Boden hinsichtlich seines Wärmeleitwiderstandes
wider reichlich undefiniert ist.
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Solche vorbeschriebene, bekannte, wenigstens aus einem Kabel tind
einer integrierten Flüssigkeits- oder Gaskühlung bestehende Verbundsysteme weisen
nun einen erheblich grösseren Durchmesser als das Kabel allein auf, so dass sich
dadurch die Kosten der Erdarbeiten bei der Verlegung solcher Systeme im Vergleich
mit gewöhnlichen Kabeln, beträchtlich erhöhen. Aber auch der Verbundaufbau von Kabel
und Kühlung in einem kompliziert eine solche
Anordnung und macht
deren Verlegung aufwendiger. Bei Schäden an einem solchen Verbundsystem erweisen
sich die erforderlichen Reparaturarbeiten im allgemeinen als schwierig durchführbar
und zeitraubend. Liegt überdies, wie vorhin angedeutet, eine Oelkühlung vor, so
ist zusätzlich auch noch eine Gefahr für die Verschmutzung des Grundwassers gegeben.
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Anderseits hat sich die ursprünglich übliche Verlegung der Kabel direkt
in den Boden als unzureichend erwiesen, weil die Strombelastbarkeit bzw. die Temperatur
des jeweiligen Kabels sehr vom Wärmewiderstand des das Kabel umgebenden Bodens abhängig
ist. Wie sehr hierbei nun der spezifische Wärmewiderstand des Bodens variieren kann,
sei bereits mittels nur weniger nachstehender Werte gezeigt Material : spez. Wärmewiderstand
Schlacke 500 - 9000 C cm/W Beton 65 - 130 - " -Sand, trocken 300 - " -Sand, 10%
feucht 100 - " -Sand, feucht gesättigt 55 - " -Erdreich, trocken 130 - " -Erdreich,
feucht 40 - -70 - " -
Zur Herstellung des Zusammenhanges zwischen
dem Wärmeleitwiderstand
und dem spezifischen Leitwiderstand oder spezifischen Wärmewiderstand
ist hier darauf hingewiesen, dass der Kehrwert der Wärmeleitfähigkeit oder Wärmeleitzahl
der spezifische Wärmeleitwiderstand oder spezifische Wärmewiderstand
ist:
(spez. Wärmewiderstand).
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Der Wärmewiderstand des Bodens hängt entsprechend der vorstehenden
Wertübersicht sehr von seinem Feuchtigkeitsgehalt ab. Stark erwärmte Kabel haben
nun bekanntlich die Tendenz, die Feuchtigkeit aus der Kabelumgebung zu verdrängen.
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Um die durch das Austrocknen des Bodens bedingte Erhöhung des apez.
, Warmewiderstandes zu ver-/-hindern, ist bereits der Vorschlag gemacht worden,
parallel zum Kabel ein wasserdurchflossenes Berieselungsrohr aus Kunststoff zu verlegen,
mittels dessen der Boden bzw. das Erdreich ständig mit Feuchtigkeit angereichert
wird (Electrical Review, 11. August 1972, Seite 190). Das dem Erdboden auf diese
Weise zugeführte Wasser dient hierbei der Erniedrigung des Wärmeleitwiderstandes
dieses Erdbodens.
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Nun hat sich eine derartige Massnahme als sehr problematisch erwiesen,
da die jeweiligen Bodenverhältnisse von der eigentlichen Bodenart bzw. Bodenzusammensetzung,
von der Jahreszeit, der momentanen Wetterlage und vielen anderen Gegebenheiten bestimmt
sind.
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Als ein Hauptproblem bei der Bodenberieselung hat sich insbesondere
der Druckabfall in der L4erieselungsleitung ergeben.
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Ausserdem ist bei dieser Methode der Kühlung von Kalbelstrekken der
Wasserverbrauch senr hoch (DT-PS Nr. 1 174 386).
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Vergleicht man nun die vorbeschriebenen Systeme der Hsabelkilhlung,
bei denen Dies Kabel in seinem Inneren oder an seinem Unfang durch ein strömendes
Kiihlmedium gekühlt wird, mit dem letztbeschriebenen Svstem mit 3erieselungsrohr,
so zeigt sich, dass bei diesem System mit Berieselung die Verlustwärme anstatt durch
ein strömendes Medium mit definierter Temperatur mittels des variabel mit Wasser
angereicherten Bodens mit entsprechend variablem spezifischen Wärmewiderstand und
somit variablem Wärmeleitwiderstand abgeführt werfen muss, was sich als sehr unsicher
erwies.
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Deshalb wurde zu der nunmehr bereits zum Stande der Technik gehörenden
Massnahme gegriffen, parallel zum elektrischen Kabel eine entsprechende Anzahl von
Metall- oder Kunststoffrohre zu verlegen, die z.B. von Frischwasser oder von künstlich
gekühltem Wasser durch flossen sind. Diese Wasserrohre sind daz bestimmt, wenigstens
einen Teil der vom Kabel entwickelten Warme aus der Kabelumgebung abzuführen, um
dadurch eine übermässige Erwärmung des Kabels bzw, der Kabelumge ung zu verhindern
(Electrical Review, 20. Juli 1373, Seite 86 und DT-PS Nr. 1 174 386).
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Derart mittels parallel zum Kabel laufender Wasserrohre hergestellte
indirekte Kühlungen sind im Vergleich mit den bisher beschriebenen Systemen zwar
einfacher und billiger zu reallsieren, jedoch weniger wirksam als diese.
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Dies hat seine Ursache darin, dass auch bei solchen indirekt gekühlten
Kabeln der Wärmeleitwiderstand des zwischen Kabel und Kühl rohr befindlichen Bodens
wirksam ist, welcher Wärmeleitwiderstand nicht nur von der Erstreckung
des Bodens zwischen Kabel und Kühl rohr sowie der jeweils wirksamen Querschnittsfläche
dieses Bodens, durch den Wärmedurchgang vor sich geht, sondern auch vom spezifischen
Wärmewiderstand
Gerade dieser spezifische Wärmewiderstand abhängig ist.
ist, wie vorstehend ausgeführt wurde, jedoch nicht unerheblich eine Funktion des
jeweiligen Feuchtigkeitsgehaltes des Bodens, wobei dessen Heterogenität die Erfassung
von zusätzlich erschwert.
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noch Deshalb wurde zur Minderung der letztgenannten Nachteile bereits
vorgeschlagen, den Bodenaushub in unmittelbarer Umgebung des Kabels durch ein spezielles
Rückfüllmaterial zu ersetzen. Hierbei handelt es sich meistens um Sand-Lehmmischungen
bestimmter Körnung mit relativ niedrigem spezifischen Wärmewiderstand (70 bis 1000C
cm/W), die nicht irreversibel austrocknen. Aber auch solche Systeme
weisen
eine nachteilige Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt auf. Ausserdem werden grosse
Mengen von Rückfüllmaterial benötigt, was hinsichtlich dessen Herstellung eine grosse
Sorgfalt und Zuverlässigkeit erfordert, um über die gesarnte Kabelverlegungsstrecke
eine gleichmässig hohe Qualität der Kabelbettung zu erreichen.
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Um nun von der Bodenfeuchtigkeit möglichst weitgehend unabhängig zu
werden, wurde für indirekt gekühlte Systeme weiters vorgeschlagen; den Raum zwischen
Kabel und Kühlrohr mit Magerbeton auszufüllen. Beton neigt jedoch, vor allem wegen
der unterschiedlichen Wärmedehnungen von Kabel und Kühlrohr, sehr stark zu Rissbildungen,
wodurch der Wärmeleitwiderstand auch dieses Rückfüllmittels erheblich grösser wird.
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Endlich ist man bei einem Grenzfall einer indirekten als auch direkten
Kühlung nach US-PS.Nr. 3.409.731 dazu übergegangen, vorzugsweise drei isolierte
Leiter in ein Rohr zu verlegen, derart, dass jedes -der drei Kabel die Rohrinnenwand
längs einer Wanderzeugenden berührt und der Raum zwischen den Kabeln sowie dem Rohr
z.B.
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mit Oel oder einem Gas unter Druck gefüllt ist. Parallel verlaufend
mit diesem Rohr sind zwei Kühlrohre vorgesehen, die an zwei einander in Rohrdurchmesserentfernung
gegenüberliegenden Aussenwanderzeugenden am Rohr anliegen und
mittels
das Rohr und die Kühlrohre umfassenden Metallstreifen in ihrer gegenseitigen Lage
gehalten sind. Diese u.a. aus drei Kabeln, einem Rohr und zwei Kühlrohren bestehende
Anordnung ist in einem diese umgebenden weiteren Rohr verlegt, wobei zwischen den
beiden Rohren eine Plastikschaumisolation vorgesehen ist und das weitere Rohr von
einem weiteren Medium, z.B. dem Boden, umgeben ist.
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Zwischen den beiden Kühlrohren und dem die drei Kabel umgebenden Rohr
besteht demnach nur ein geringfügiger Oberflächenkontakt längs den Rohrberührerzeugenden
bzw.
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einer minimalen Zone eines Verbindungsmetallesvwährend der übrige
Zwischenraum zwischen den Kühlrohren und dem Rohr durch einen wärmedämmenden Schaumstoff
ausgefüllt ist. Abgesehen von der Aufwendigkeit des gesamten Systemes ist nach dem
Vorstehenden unschwer zu erkennen, däss hier komplizierte Wärmedurchgangsverhältnisse
vorliegen. So ist bei diesem System der Wärmeleitwiderstand der Kabelisolierungen,
die Wärmeübergangswiderstände zwischen den Kabelisolierungen und dem Oel oder Gas,
der Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Oel oder Gas und der Rohrinnenwand, der
Wärmeleitwiderstand der Rohrwand, der undefinierte Wärmeübergangswiderstand der
Grenzschichte zwischen dem Rohr und den Kühlrohren sowie der Wärmeleitwiderstand
des zwischen dem Rohr und den Kühlrohren befindlichen Plastikschaumstoffes, der
Wärmeleitwiderstand des Schaumstoffes zwischen dem
Rohr und dem
weiteren Rohr, der Wärmeleitwiderstand des weiteren Rohres und endlich der Wärmeleitwiderstand
des umgebenden Bodens in Rechnung zu setzen, wobei auch die Anwendung von örtlich
zwischen dem Rohr und den Kühlrohren vorgesehenen Kontaktmetall - worüber später
noch auszuführen sein wird - die voraufgezählten Wärmewiderstandsverhältnisse nicht
unwirksam machen kann, weil dieses Kontaktmetall nicht direkt zwischen den Kabeln
und den Kühlrohren angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem System aus
Rohrgaskabeln mit Beilaufkhleinrichtung, also insbesondere mit parallel zu den Rohrgaskabeln
verlaufenden Kühlrohren, die zwischen den elektrischen Leitern und den Kühlmedien
bestehenden Wärmewiderstände auf ein möglichst gleichbleibendes Minimum zu reduzieren
und nebenbei den Wärmestrom an die Umgebung eines solchen Systems wählbar klein
zu halten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mindestens
ein einen geringen, insbesondere unter 500C cm/W liegenden, spezifischen Wärmewiderstand
aufweisendes und wenigstens zum Teil vorzugsweise oberhalb 400C ins4besondere im
Temperaturbereich von 400C bis 1000C, zumindest etwas plastisches und adhäsives
Mittel vorgesehen ist, das wenigstens zwischen der Kapselung des jeweiligen Rohrgaskabels
und
dem oder den diesem Rohrgaskabel bei laufend zugeordneten Kühlrohren angeordnet
ist.
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Besonders vorteilhaft ist es hierbei, dass das Mittel aus einer zumindest
etwas plastischen und adhäsiven Substanz aus Asphalt oder Bitumen besteht und ausserdem
von wenigstens einem metallischen Stoff in Form von Spänen, Wolle oder Geflechten
durchsetzt ist, die ein Gerüst bilden.
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Es empfiehlt sich hierbei, metallische Stoffe aus Kupfer, Aluminium,
Eisen oder Stahl zu verwenden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass sich der Erfindungsgegenstand gegenüber den vorstehend beschriebenen direkt
gekühlten Systemen - soweit überhaupt vergleichbar - durch seine besondere Einfachheit
auszeichnet. Im Gegensatz zu diesen Systemen wird bei der Erfindung der Aufbau des
oder der Kabel durch die Kühlung nicht verkompliziert. Aber auch die Verlegung und
eventuelle Reparatur des Kabel- und Kühlsystems gemäss der Erfindung ist relativ
einfach und billig.
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Gegenüber den durch den Boden, insbesondere mittels speziellen Rückfüalmateriales
aus Sand und Lehm, oder mittels feuchtigkeitsberieselten Bodens gekühlten Systemen
zeichnet sich die Erfindung durch die Feuchtigkeitsunabhängigkeit ihres
die
zu kühlenden Kabel umgebenden Mittels aus.
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Aber auch gegenüber in Magerbeton deshalb hinsichtlich der Bodenfeuchtigkeit
relativ unabhängig gebetteten elektrischen Kabeln zeichnet sich die Erfindung durch
ihr bei den üblichen Betriebstemperaturen von ca. 40 bis 800C hinreichend plastisches
und adhäsives Mittel aus, das sich allen Wärmedehnungen der Kabel und Kühlrohre
anpasst, ohne hierbei seinen Wärmeleitwiderstand zu verändern.
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Die Erfindung stellt vor allem die Lösung des Problems der indirekten
Kühlung bei Rohrgaskabeln dar, deren Kühlung im Hinblick auf die hohen Uebertragungsströme
erheblich forciert werden muss, abgesehen davon, dass bei den bekannten indirekten
Kühlungen ausserdem bisher kein guter und zugleich sicherer Wärmekontakt zwischen
Kabeln und Kühlrohren gewährleistet ist und deshalb solche Kühlungen nur beschränkt
einsatzfähig und wirksam sind. Dies trifftinsbesondere auch auf den Gegenstand der
US-PS. Nr.
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3.409.731 zu, bei dem die Zwischenschicht zwischen dem die drei isolierten
Leiter umgebenden Rohr einerseits und den beiden Kühlrohren anderseits zum Teil
aus Plastikschaumisoliermaterial und zum Teil aus einer schmalen Schicht eines Verbindungsmetalles
besteht, das im Hinblick auf thermische sowie mechanische echselbeanspruchungen
aber auch in Sicht auf Korrosion keine
verlässliche Dauerverbindung
gewährleistet, abgesehen davon, dass die Herstellung dieser Verbindung sowie des
gesamten Systems kompliziert und deshalb arbeits-und kostenaufwendig ist und im
Gebrechensfalle dieses Systems weiteren erheblichen Aufwand wegen der Schwierigkeit
der Reparaturen erfordert.
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Zusammenfassend vereinigt die Erfindung in sich den Vorteil des guten
Wirkungsgrades der direkt gekühlten Systeme sowie die Vorteile indirekt gekühlter
Systeme mit Sand-Lehmmischungen oder Magerbeton als Wärmedurchgangsmaterial zwischen
Kabel und Kühlrohr, ohne dass die Erfindung die Nachteile der beiden letztgenannten
Systeme aufweist, wobei sich die Erfindung darüber hinaus ausserdem noch durch die
Plastizität sowie das A.dhäsionsvermögen ihres Wärmedurchgangsmateriales und noch
nachstehend besprochenen Eigenschaften auszeichnet, was durch kein bisher bekanntes
Kühlsystem bei elektrischen Kabeln nahegelegt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung
der Wärmedurchgangsverhältnisse bei durch eine Wand getrennte Medien,
Fig.
2 einen Querschnitt durch ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
mit einem dreiphasigen Kabel, Fig. 3 einen Querschnitt durch ein dreiphasiges Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit Einzelführung der Phasen, wobei jeder Phase zwei Kühlrohre beilaufend
zugeordnet sind, Fig. 4 einen Querschnitt durch drei einzelne Kabel mit insgesamt
nur zwei Kühlrohren, Fig. 4a einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführung
entsprechend Fig. 4 mit den Vorteilen einer asymmetrischen Anordnung des jeweiligen
zwischen zwei Kabeln befindlichen Kühlrohres, Fig. 5 einen Querschnitt durch eine
Ausführung gemäss Fig. 4 mit je einem zusätzlichen Kühlrohr bei den beiden äusseren
der drei nebeneinanderliegend geführten Kabeln und Fig. 6 einen Querschnitt durch
eine vorteilhafte dreiphasige Ausführung mit drei separaten Kabeln, wobei zwischen
je zwei Kabeln zwei Kühlrohre angeordnet sind.
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In Fig. 1 ist auf der Abszisse des Diagrammes die Dicke x der in Betracht
gezogenen Medien und auf der Ordinate die Temperatur
dieser Medien abgetragen. Hierbei ist ein inneres gasförmiges oder flüssiges-Medium
i durch eine Wand mit der Dicke
von einem äusseren gasförmigen oder flüssigen Medium a getrennt.
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Die mittlere Temperatur
des wärmeren inneren Mediums i sinkt in seiner Grenzschichte auf die Temperatur
der inneren Wandgrenzfläche ab. Die Wand
selbst weist das aus Figur 1 ersichtliche Temperaturgefälle auf.
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Die Temperatur
der äusseren Wandgrenzfläche fällt dann in der Grenzschichte des äusseren kälteren
Mediums a auf dessen mittlere Temperatur
ab, so dass die in der Beschreibungseinleitung genannte Voraussetzung
für den Wärmedurchgang erfüllt ist.
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In Fig. 2 ist eine-besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung
in einem Schnitt quer zum Kabel dargestellt.
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Es handelt sich hierbei um ein unterirdlsch verlegtes Hochspannungskabel,
wie solche in dicht besiedelten Gebieten immer häufiger verwendet werden. Nachdem
die konventionellen
Kabel meist eine Oel-Papier- oder -Kunststoffisolation
aufweisen, deren spezifischer Wärmewiderstand
etwa zwischen 300 bis 6000C cm/W liegt, wird bei dem vorliegenden Beispiel gemäss
Fig. 2 für Hochleistungs-Ubertragung von einem Rohrgaskabel 2 vorzugsweise mit SF6
- Gas als Isolationsmittel ausgegangen. Dies hat seinen Grund darin, dass der innere
Wärmewiderstand des Rohrgaskabels 2, nämlich der Wärmeübergangswiderstand zwischen
den elektrischen Leitern 2b und dem SF6,dem Wärmeleitwiderstand des SF6 und dem
Wärmeübergangswiderstand zwischen dem SF6 und der rohrförmigen Kapselung 2a viel
kleiner ist (ca. 1/4) als bei den konventionellen Kabeln. Zu dem relativ kleinen
inneren Wärmewiderstand des Rohrgaskabels 2 kommt noch der Wärmeleitwiderstand
der rohrförmigen Kapselung 2a, der dem spezifischen Wärmewiderstand
sowie der Kapselungs- bzw. Rohrdicke direkt und etwa der mittleren Rohrmantelfläche
verkehrt proportional ist, wobei für die im allgemeinen aus Eisen bzw. Stahl bestehende
Kapselung ein
von etwa 1,40C cm/W in Rechnung gesetzt werden kann.
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Zwischen dem Rohrgaskabel 2 und den Kühlrohren 3 ist das plastische
und adhäsive Mittel 1 mit einem unter 500C cm/W liegenden spezifischen Wärmewiderstand
angeordnet, dessen Wärmeleitwiderstand ebenfalls als relativ niedriq zu veranschlaqen
ist, woLu noch, um den qesamten Wärmedurchgangswiderstand
des Systems zu erfassen, der Wärmeleitwiderstand der Wände der
Kühlrohre 3 sowie der Wärmeübergangswiderstand des Kühlmediums mit den Kühlrohren
3 sowie der Wärmeleitwiderstand des thermischen Nebenschlusses vermittels des Füllmittels
5 hinzukommt, wenn man vom Boden 6 absieht. Es ist hierbei im wesentlichen nur eine
Frage der Rohrkabelbelastung und der Kühlrohr- bzw. Kühlungsdimensionierung und
Anordnung sowie Dimensionierung des Mittels 1 sowie des spezifischen Wärmewiderstandes
des Füllmittels 5, bis zu welch hohem Prozentsatz das System bestehend aus Rohrgaskabel
2, Mittel 1 und Kühlrohre 3 ein abgeschlossenes System bildet und bezüglich der
eingangs beschriebenen direkt gekühlten Systeme wirkungsgradmässig zumindest gleichwertig
oder besser ist.
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Das zwischen dem Rohrgaskabel 2 und den Kühlrohren 3 befindliche Mittel
1 besteht hinsichtlich seines plastischen und adhäsiven Teiles in vorteilhaftester
Weise aus Asphalt (DIN 55 946), das heisst, einem Gemisch aus Bitumen und Mineralstoffen,
das im allgemeinen technisch hergestellt wird. Beim reinen Asphalt handelt es sich
um Gemenge von hochmolekularen polyzyklischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit
geringen Mengen von Sauerstoff- Schwefel- und Stickstoffverbindungen. Die Klassifikation
ist hierbei nicht einheitlich und die Grenze zu den Harzen nicht scharf. Unter Bitumen
(DIN 55 946)
sind die bei der schonenden Aufbereitung von Erdölen
gewonnenen hochmolekularen Kohlenwasserstoffgemische und die in Schwefelkohlenstoff
löslichen Anteile der Naturasphalte zu verstehen. Die Klebewirkung und Plastizität
macht die Bitumen vor allem als Bindemittel sehr geeignet. Insbesondere zeichnen
sich die Bitumen durch eine sehr geringe Wasserquellung und minimale Wasser- und
Wasserdampfdurchlässigkeit aus, so dass sie sehr gut als Abdichtungs- bzw. wasserabstossendes
Material verwendbar sind, wozu noch ihre geringe elektrische Leitfähigkeit hinzukommt.
Das zwischen dem Rohrgaskabel 2 und den Kühlrohren 3 befindliche Mittel 1 besitzt
demnach bei den üblichen Betriebstemperaturen von ca. 40 bis 800C hinreichende Plastizität
bzw.
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Duktilität,- um sich allen Wärmedehnungen des Rohrgaskabels 2 sowie
der Kühlrohre 3 anzupassen. Im interessanten Temperaturbereich von etwa 40 bis 1000C
zeigt sich ausserdem, dass bei Asphalt eine genügende plastische Verformung allein
durch das Eigengewicht der Asphaltmasse erfolgt, so dass im Zusammenwirken mit dem
als Klebwirkung sich äussernden Adhäsionsvermögens des Asphaltes Rissbildungen zwischen
dem Mittel 1 und den sich ausdehnenden und wieder zusammenziehenden Rohren 2 und
3 sicher vermieden sind. Asphalte haben weiters den Vorteil, dass ihr spezifischer
Wärmewiderstand vom Feuchtigskeitsgehalt
des sie umgebenden Füllmittels
5 sowie des daran angrenzenden Bodens 6 praktisch unabhängig ist. Um nun den bei
ca. 1200C cm/W liegenden spezifischen Wärmewiderstand des aus Asphalt oder einer
asphaltähnlichen Substanz oder einem entsprechenden Harz bestehenden Teiles des
Mittels 1 zu verringern, sind diesem Teil als weiterer Teil gut wärmeleitende Stoffe
beigemischt. Am besten haben sich hierfür metallische Stoffe erwiesen, deren spezifischer
Wärmewiderstand ca. 100-mal kleiner als der von Erde oder Sand ist, wie die kurze
nachstehende Uebersicht für die wichtigsten in Frage kommenden Metalle zeigt Al
............. 0,3 - 0,50C cm/W Cu .............. 0,27°C cm/W Fe ............ 1,40C
cm/W Die in Form von Metallspänen, insbesonderen Stahl- oder Aluminiumwolle oder
Geflechten dem Asphalt/gegebenen den weiteren Teil des Mittels 1 ausmachenden Stoffe
bilden hierbei im Asphalt ein gut wärmeleitendes Gitter oder Gerüst, mittels dessen
der spezifische Wärmewiderstand des Mittels 1 einen unter 300C cm/W liegenden Wert
erreicht. Das aus einer Mischung aus Aluminiumspänen oder Aluminiumwolle und Asphalt
bestehendes Mittel 1 hat ausserdem den weiteren besonderen Vorteil, dass auch bei
relativ
hohen Temperaturen, bei denen das'Asphalt bereits stark
plastisch ist, u.a. zufolge der etwa gleich grossen spezifischen Gewichte der Mischungsteile
keine Entmischung und dadurch Aenderung des spezifischen Wärmewiderstandes des Mittels
1 eintreten kann.
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Der allgemeine Erfindungsgedanke beim Mittel 1 ist demnach, aus einer
Mischung aus zumindest zwei gängigen bzw. billigen Substanzen einen Stoff mit der
Summe der vorbeschriebenen günstigen .Eigenschaften herzustellen, wobei die Kombination
dieser Substanzen über ihre Einzeleigenschaften hinausgehende Eigenschaften wie
Konstanz des Mischungsverhältnisses bzw. der Mischungstopologie und somit des Wärmewiderstandes
aufweisen muss.
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Die Beilaufkühleinrichtung gemäss der Erfindung erweist sich demnach
nicht nur als sehr wirksam und billig sondern ist auch besonders einfach herzustellen-und
zu revidieren.
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Zur Herstellung wird der Boden 6, also z.B, das Erdreich, mittels
selbstfahrender Bagger in Form einer Künette fortlaufend ausgehoben, bereitliegendes
Füllmittel 5 oder der ausgehobene Boden /bis zur Höhe des Auflageniveaus des Rohrgaskabels
2 nachlaufend eingebracht und der bereitgestellte Rohrder'Boden oder gaskabelstrang
fortlaufend eingelegt sowie/das Füllmittel
5 bis etwa zur Höhe
des horizontalen Rohrgaskabeldurchmessers ständig nachgefüllt. Nach Einbringung
der Formstücke 4 wird das Mittel 1 in den durch die obere Hälfte der Kapselung 2a
und den Formstücken 4, wie Bretter, gebildeten Trog laufend eingeschüttet, hierauf
die Kühlrohre 3 in das Mittel 1 fortlaufend der ausgehobene Boden oder eingelegt
und schliesslichZdas Füllmittel 5 bis zu seinem Niveau 5a bis in die Höhe des Bodenniveaus
6a im Fliessverfahren aufgefüllt.
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Aus Gründen der Rationalisierung kann bei guten Bodenverhältnissen
anstatt des Füllmittels 5 auch das Bodenmaterial anstatt de Füllmittels 5 wiederverwendet
und gegebenenfalls die Formstücke 4 weggelassen werden.
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Für besonders hohe Uebertragungsleistungen hingegen kann das Rohrgaskabel
2 ganz in das Mittel 1 eingebettet werden.
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In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen 3 bis 6 sind
die den der Fig. 2 entsprechenden Positionen gleichbezeichnet.
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In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch eine Ausführung mit drei separat
geführten einphasigen Rohrgaskabeln 2 dargestellt, wobei der Aufbau des Systems
ansonsten dem
der vorbeschriebenen Fig. 2 entspricht. Die Kühlung
der einzelnen elelstrischen Leiter 2b erfolgt hierbei mittels je zweier Kühlrohre
3, die geringfügig aus dem Mittel 1 hervorragen. Dies hat den Vorteil, dass die
Kühlrohre 3 leicht lokalisierbar sind, sobald sich Aufgabungen als notwendig erweisen.
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In Fig. 4 ist ein Querschnitt durch eine Erfindungsvariante mit drei
einphasigen Rohrgasgabeln 2 mit insgesamt nur zwei Kühlrohren 3 abgebildet. Die
Formstücke 4a sind hierbei nur zwischen den Rohrgaskabeln 2 und zugleich zwischen
dem Mittel 1 und dem Füllmittel 5 vorgesehen und könnten gegebenenfalls auch entfallen.
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Hier liegt nun eine Beilaufkühleinrichtung vor, bei der die aus den
Kühlrohren 3 bestehende Wärmesenke durch das besonders gut wärmeleitende Mittel
1 mit der aus den Rohrgaskabeln 2 gebildeten Wärmequelle verbunden ist.
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Der von der Wärmequelle über das Füllmittel 5 zur Wärmesenke führende
thermische Nebenhluss sowie der Wärmestrom in den Boden 6 sind hierbei,wie auch
bei den vorhergehenden Ausführungen, weitgehend vernachlässigbar.
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Durch das Mittel 1 werden im allgemeinen zwar nur 25 % bis 50 % der
Kapselung des Rohrgaskabels
definiert gekilhlt. Trotzdem ist die
remperaturverteilung am Umfang der Kapselung nahzeu gleichmässig, weil der Wärmestrom
von den heissesten Stellen der Kapselung durch diese selbst (Wandstärke z.B. 10
mm AL) zur kältesten Stelle am äusseren Umfang der Kapselung fliesst; hierbei jedoch
nur zum geringen Teil über den thermischen Nebenschluss, d.h. über den durch den
ausgehobenen Boden 6 gebildeten Parallelpfad zur letztgenannten Kapselung geht.
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Eine eventuelle Austrocknung bzw. gefürchtete Verödung des Bodens
ergibt sich im allgemeinen ungünstigstenfalls in Form einer irreversibel ausgetrockneten
Schicht, die bis etwa zu einer Dicke von 50 cm das Rchrgaskabel umgibt. Die letztgenannte
Schicht kann die Struktur eines gebackenen Ziegels annehmen. Gefürchtet ist hierbei
dieErhöhung des spezifischen Wärmewiderstandes dieser Schicht von z.B. 70 auf 3000C
cm/W.
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Fig. 4a zeigt einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführung entsprechend
Fig. 4 mit unsymmetrisch zwischen den Rohrgaskabeln 2 angeordneten Kühlrohren 3.
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Hierbei ist das jeweils zwei Rohrgaskabeln 2 zugeordnete Kühlrohr
3 jeweils näher dem äusseren Rohrgaskabel 2 angeordnet, um dadurch eine gleichmässige
Kühlung der drei Rohrgaskabel 2 zu erhalten.
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Gemäss Fig. 5 sind den beiden ussersten Rohrgaskabeln 2 zusätzlich
Kühlrohre 3 mit je etwa halb so grossem freien Querschnitt zugeordnet als der jeweilige
Querschnitt der übrigen Kühlrohre 3 des Systems gross ist, um dadurch den Temperaturgradienten
des Systems zu vergleichmässigen.
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Fig. 6 zeigt schliesslich eine besonders zu bevorzugende Erf.indungsvariante,bei
der Wärmequelle (2) und Wärmesenke (3) weitgehend nur über das Mittel 1 thermisch
miteinander in Verbindung stehen, wobei im Bedarfsfall auch die noch vom Mittel
1 freien Kapselungsteile 2a vom Mittel 1 hüllenförmig umfasst sein können, um durch
eine solche Anordnung des Mittels günstige Wärmedurchgangsverhältnisse zu schaffen.
Hierbei kann der radiale Querschnitt einer solchen in Fig. 5 an den äusseren Rohrgaskabeln
2 nicht eingezeichneten Hülle
flächenmässig etwa direkt proportional
mit dem Abstand d der Querschnittspunkte vom jeweils am nächsten gelegenen Kühlrohr
3 zunehmen, wobei die Dicke der Hülle im minimalsten Hüllenquerschnitt in radialer
Richtung gemessen mindestensso oross ist, dass der Wärmedurchgang an die Umgebung,
also an das Füllmittel 5 bzw. den Boden 6, einen wählbaren Wert nicht übersteigt.
Selbstverständlich können derart vom Mittel 1 eingehüllte Rohrgaskabel 2 ausserdem
auch noch von einer wärmedämmenden Schichte mit hohem spezifischen Wärmewiderstand
umgeben sein, um praktisch jede Wärmeabgabe an die letztgenannte Umgebung zu unterbinden.