DE4031955A1 - Verfahren und vorrichtung zum tiefkuehlen elektrischer hohlleiter stromdurchflossener spulen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zum Tiefküh­ len elektrischer Hohlleiter stromdurchflossener Spulen, die zur Erzeugung elektrischer Magnetfelder angewendet werden, insbeson­ dere elektrische Induktionsspulen für Teilchenbeschleuniger und die Magnettomographie, oder zur induktiven Erhitzung von Metallen in Induktionsöfen und zur induktiven Pyrolyse von Abfallstoffen mit Metall- oder Graphitpartikelzusatz.

Um stromdurchflossene, elektrische Leiter herrscht ein Magnetfeld. Es entsteht und wirkt unwillkürlich und verursacht auch in Anwen­ dung keinen Stromverbrauch, ist jedoch abhängig vom Stromfluß und die Magnetkraft von der Spannungshöhe. Stromverbrauch entsteht bei Stromfluß ausschließlich durch die Reibung der Strömungselektronen an den Leitermolekülen, dem elektrischen Widerstand, wobei Ström­ ungsenergie teilweise umgewandelt wird in Wärmeenergie, der Strom­ wärme, die den elektrischen Leiter erwärmt. Die Leitermoleküle deh­ nen sich durch Wärme und vergrößern dadurch ihren elektrischen Wi­ derstand, wodurch wiederum die Reibung erhöht wird und die Strom­ wärme steigt, in Kettenreaktion.

Stromstärke erhöht, außer der Magnetkraft, die Strömungsgeschwin­ digkeit der Elektronen im elektrischen Leiter. Dadurch wird deren Reibeffekt vergrößert, wie dies zusätzlich auch noch die Selbstin­ duktion bewirkt durch Elektronenerregung, steigend mit der Frequenz.

Die Stromwärme wächst mit dem Quadrat der Stromstärke, wird erzeugt durch den elektrischen Widerstand und ist ausschließlicher Verur­ sacher des Stromverbrauchs.

In metallischen Leitern ändert sich der elektrische Widerstand mit der Leitertemperatur pro Grad um 0,4 bis 0,5%. Durch Kälte schrum­ pfen die Leitermoleküle. Deren reibungserzeugender Widerstand gegen die Strömungselektronen verkleinert sich und sinkt mit der Tempera­ tur, bis unterhalb der Sprungtemperatur Supraleitung entsteht, bei der die Elektronen reibungsfrei strömen, ohne Stromverbrauch. Daß auch bei Supraleitung ein elektrisches Magnetfeld herrscht, beweist dessen stromverbrauchsfreies Existieren.

Deshalb soll, durch eine Tiefkühlung des elektrischen Hohlleiters, dessen elektrischer Widerstand gesenkt werden und damit schon das Entstehen von Stromverlustwärme weitmöglichst verhindert werden, mit dem Resultat einer Elektrizitätseinsparung bei gleicher Leistung.

Herkömmlich erfolgt die Ableitung nur der entstandenen Stromwärme aus beispielsweise hohlen Leitern von Induktionsspulen mittels Was­ serdurchströmung (DPS 11 67 979, DOS 22 60 322) als Kühlmittel. Bekannt ist auch eine zweckdienliche Eintragung von verflüssigten, kryogenen Gasen in die innere Höhlung der elektrischen Hohlleiter.

Nachteilig ist dabei, daß der Wasserkühleffekt stark temperaturbe­ grenzt ist und damit Tieftemperaturen nicht erzeugt werden können. Auch bei hohem Wasserverbrauch bleibt eine ungleichmäßig erhöhte Leitertemperatur bestehen und damit ein erhöhter Widerstand mit Energieverlust. Der Kühlkreis muß dazu kühleffektbedingt minimiert werden auf teilweise eine Windungsschleife, was pro Windung je zwei Strom- und Wasseranschlüsse erfordert, verbunden mit zusätz­ lichen Kosten, mehr Platzbedarf und Leckstellengefahr.

Bei der Anwendung verflüssigter, kryogener Gase als Kältemittel, wie N₂ oder He, sind insbesondere die hohen Einstandskosten nach­ teilig. Das niedere Kältepotential der verflüssigten Gase wirkt verbrauchsaufwendig und erhöht die erforderliche Menge Kältemittel. Trotz des tiefen Siedepunkts von -196°C oder -268°C beträgt die benötigte Verdampfungswärme bei N₂ nur 199 kJ/kg und bei He le­ diglich 25 kJ/kg. Das geringe, nach Versiedung noch im gasförmigen Medium vorhandene, Kältepotential entweicht expansionsbedingt größ­ tenteils mit in die Atmosphäre.

Aufgabe der Erfindung ist, die zuvor genannten Nachteile herkömm­ licher Verfahren/Vorrichtungen zu beseitigen und eine Leitertief­ kühlung sicherzustellen mit permanent intensivem Effekt, technisch unkompliziert und auf wirtschaftlicher Basis mittels kälteerzeugen­ der Anwendung von Wärme.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe damit gelöst, daß das Kälte­ potential, zur Tiefkühlung elektrischer Hohlleiter von Spulen, er­ zeugt wird durch eine kältebereitende Heizeinwirkung, auf den Koch­ er als Kältemittelbehälter eines wärmeimpulsierbaren Absorbtions­ kältegenerators, mit der Abwärme aus den induktiv erhitzten Stof­ fen und/oder mittels induktiver Beheizung des metallenen Kocherge­ häuses, oder durch offenes Feuer, wie Gasflamme, einer, je nach Ge­ gebenheit oder Erfordernis möglichen Beheizungsart.

Bei der durch Rohre verbundenen, aggregatförmigen Einheit des Ab­ sorbtionskältegenerators sind Kocher, Verdichter und Verdampfer­ rohr je separat und abständlich zueinander installierbar.

Vorzugsweise ist die Spule dabei so in dem Umlaufrohrsystem des Kältemittels angeordnet, daß der elektrische Hohlleiter der Spule, direkt oder "indirekt", als Verdampferrohr des Absorbtionskälte­ generators fungiert, beziehungsweise mit diesem identisch ist, aus­ gestattet mit dem einmündenden Expansionsventil, das Kältemittel in das Verdampferrohr entspannt, wo es versiedent Verdampfungs­ kälte erzeugt. Bei "indirekt" ist ein separates Verdampferrohr, von einem dielektrischen Korset umgeben, abständlich zur Innenwand durch die innere Höhlung des elektrischen Hohlleiters geführt.

Alternativ wird dazu auch ein Kompressionskältegenerator verwendet. Bei der induktiven Erhitzung von Metallen in einem dielektrischen Tiegel eines Induktionsofens wird der Kocher, beispielsweise in ku­ gelförmiger Ausbildung im Deckel installiert, unterseitig beheizt. - Alternativ führt ein Flüssigmedium dem abseitigen Kocher die Heizwär­ me zu, in einem Umlaufrohrsystem mit Hitzekollektor am Ofentiegel. - Dazu ebenfalls geeignet ist ein als ringförmige Röhre gestalteter Kocher, dessen metallener Körper, außer mit der Abwärme as dem Tiegelkörper, auch induktiv beheizt wird. Dazu ist er direkt ober­ halb der Spule, anliegend den Tiegelumfang umschließend, oder un­ mittelbar unterhalb des Tiegelbodens anliegend angeordnet und wird dabei mit Abwärme über den Tiegelkörper beheizt. Je nach veränder­ barer Annäherung zur Spule temperaturgeregelt, wird dieser Metall­ ring mäßig in erforderlicher Stärke erwärmt durch elektrische Induk­ tion, weil er sich jeweils im Endbereich des homogenen Magnetfel­ des bfindet und dort eine mäßige elektrische Induktion erfährt. Dadurch entsteht kein nennenswerter Stromverbrauch, erfindungsgemäß.

Für Teilchenbeschleuniger ode zur Magnettomographie wird der Ko­ cher, abseits der Spule, mittels Gasflamme beheizt, durch einen entsprechenden Brenner, unterhalb des beispielsweise zylinderför­ migen Kochers.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere die ermöglichte Nutz­ und der Wärme/Abwärme induktiv erhitzter Stoffe, wie beispielsweise aus Metallschmelze, Mitinduktion oder Gasfeuer als Energie zur Erzeu­ gung eines, stets mit demselben Kältemittel kontinuierlich erneu­ erbaren, direkt am Anwendungsort in dem elektrischen Hohlleiter entstehenden, Kältepotentials, das durch die überschüssige Wärme­ energie fast unbegrenzt verfügbar ist zum Tiefkühlen des elektri­ schen Hohlleiters als Verdampferrohr. Dazu ist nur eine mäßige Be­ heizungstemperatur erforderlich. Amoniaklösung als Kältemittel NH₃/H₂O beispielsweise erzeugt mit 144°C Beheizungstemperatur ei­ ne Verdampfungskälte von -33,4°C mit einer, dem elektrischen Hohlleiter entzogenen, Verdampfungswärme von 1368 kJ/kg, Freon CF₃Cl erzeugt sogar eine Verdampfungskälte von -81,5°C. Damit ist eine effektive Tiefkühlung sichergestellt, permanent gleich­ mäßig im gesamten Spulenbereich mit großer Anzahl ununterbroche­ ner Windungen und mit nur zwei Strom- und Kühlmittelanschlüssen. Gegenüber herkömmlicher Wasserkühlung mit einer potentiellen Lei­ tertemperatur von +70°C entsteht gegenüber der erfindungsgemäßen Leitertiefkühlung bei nur -30°C eine Temperaturdifferenz von 100°C, dadurch eine Widerstandssenkung von circa 50% mit einer entsprechenden Einsparung an Elektrizität bei gleicher Leistung. Es wird so, in vorteilhafter Weise, mit Abwärme, wie "fiktiv" üblich, nicht Elektrizität erzeugt, sondern ergebnisreicher elektrische Energie eingespart, durch kostenfreie Senkung des elektrischen Widerstands in erfindungsgemäß tiefgekühlten Spulen.

Der, die Anwendungsexpansion der Induktionsöfen behindernde, ungünstige Faktor "Energiekosten" kann anderen Schmelzverfahren weitgehend angeglichen werden.

Nachstehend ist die Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert anhand der Zeichnung, deren einzige Figur einen schema­ tischen Verfahrensablauf darstellt.

Mit der Abwärme der in einem Induktionsofen (1) induktiv erhitzten Stoffe wird der beispielsweise am Deckel (2) installierte Kocher (3) des Absorbtionskältegenerators beheizt. Das darin befindliche Kältemittel verdampft dadurch, wird durch Druck und Luftkühlung im Verdichter kondensiert und mittels Expansionsventil (4) durch ein dielektrisches Rohrzwischenstück (5) in den elektrischen Hohl­ leiter (6) als Verdampferrohr entspannt, wo es versiedend Verdampf­ ungskälte erzeugt mit tiefkühlendem Effekt. Durch das dielektri­ sche Rohrzwischenstück (7) und Rückführleitung strömt das gebrauchs­ temperierte Kältemittel gasförmig wieder in den Kocher (3) zurück und geht, angesaugt von dem abgeschwächten Kältemittellösungskon­ zentrat, mit demselben wieder in Lösung, zum Neuumlauf durch Beheizung. Die Funktion erfolgt selbsttätig. Stromanschluß erfolgt an beiden Enden der elektrischen Hohlleitung (nicht gezeichnet).

Claims (3)

1. Verfahren und Vorrichtung zum Tiefkühlen elektrischer Hohllei­ ter stromdurchflossener Spulen, die zur Erzeugung elektrischer Magnetfelder angewendet werden, insbesondere elektrische Induk­ tionsspulen für Teilchenbeschleuniger und die Magnettomographie, oder zur induktiven Erhitzung von Metallen in Induktionsöfen und zur induktiven Pyrolyse von Abfallstoffen mit Metall- oder Graphit­ partikelzusatz, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältepotential, zur Tiefkühlung elektrischer Hohlleiter von Spulen, erzeugt wird durch eine kältebereitende Heizeinwir­ kung, auf den Kocher als Kältemittelbehälter eines wärmeimpuls­ ierbaren Absorbtionskältegenerators, mit der Abwärme aus den in­ duktiv erhitzten Stoffen und/oder mittels induktiver Beheizung des metallenen Kochergehäuses, oder durch offenes Feuer.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Hohlleiter der Spule, direkt oder indirekt als Verdampferrohr eines Kältegenerators fungiert, beziehungs­ weise mit dem Verdampferrohr identisch ist, zu dem das Expan­ sionsventil des Kältegenerators einmündend angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrischen Hohlleitung der Spule mit der Kälte innen Wärme entzogen wird, die ein Absorbtionskältegenerator mit der Wärme/Abwärme induktiv beheizter Stoffe erzeugt, oder anderer Wärmequelle.