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Verfahren zur Übertragung der Wärme zwischen einer Wandung und einem
von ihr in beliebigem Abstand umgebenen Wärmemeßkörper. Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Übertragung der Wärme zwischen einer Wandung und einem von ihr in
beliebigem. Abstand umgebenen Wärmemeßkörper, z. B. einem stromdurchflossenen, elektrischen
Widerstand, mittels eines gasförmigen Mediums. Das neue Verfahren ermöglicht es,
die Temperatur des Widerstandes durch die Schwankungen der Umgebungstemperatur in
hohem Maße zu beeinflussen.
Gemäß der Erfindung wird als gasförmiges
Übertragungsmedium ein in dem betreffenden Temperaturbereich dissoziierbares Gas,
z. B. Stickstoffdioxyd, gewählt oder ein ein solches Gas enthaltendes Gasgemisch.
Statt dessen kann auch ein mit einer Flüssigkeit von geeignetem Dampfdruck, z. B.
Kohlenstofftetrachlorid, in Berührung stehendes Gas, z. B. Wasserstoff, zur Verwendung
kommen. In jedem Fall muß das gasförmige Übertragungsmedium in einem bestimmten
Temperaturbereich einen negativen Temperaturkoeffizienten des Wärmeleitvermögens
besitzen. Durch Regelung des Drukkes des verwendeten Gases oder eines Partialdruckes
des Gasgemisches sowie der Temperatur wird dann, die gewünschte Temperaturabhängigkeit
eingestellt.
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Der Unterschied in der Wirkung gegenüber bekannten Anordnungen, bei
.denen der Widerstand in einem Gefäß angeordnet sein möge, als welches auch die
Zimmerwand gelten könnte, sei im nachstehenden für jede der beiden Ausführungsformen
des Erfindungsgedankens gesondert erklärt. Für einen qualitativen Schluß genügt
es, von der Änderung der im Widerstand entwickelten Wärmemenge 12w durch die Änderung
des Widerstandes zunächst abzusehen. Man kann dann sagen, daß jede Temperaturänderung
der Wandung eine solche Temperaturänderung des Widerstandes bedingt, daß der durch
die Differenz dieser Temperaturen erzeugte Wärmestrom vom Widerstand zur Wandung
gerade die in dem Widerstand erzeugte Menge von Wärme ahführt. Mit der Temperatur
der Wandung und des Widerstandes muß dabei zugleich die Temperatur des dazwischenliegenden
Gases steigen. Für den X@ärmeaustausch zwischen Widerstand und Wandung spielen in
den meisten Fällen die Hauptrolle die Konvektion und die eigentliche Wärmeleitung.
Der Wärmeaustausch durch Strahlung tritt dagegen zurück. Mit steigender Temperatur
wächst nun sowohl die Konvektion als die Wärmeleitfähigkeit des Gases, und es bedarf,
um die gleiche Energiemenge vom Widerstand zur Wandung überzuführen, nur einer geringeren
Temperaturdifferenz, d. h. die Temperaturerhöhung des Widerstandes gegenüber der
Wandung nimmt mit steigender Temperatur ab. Die Widerstandstemperatur steigt zwar
auch, wenn die Wandungstemperatur steigt, aber sie steigt langsamer. Erwünscht wäre
dagegen, daß einer bestimmten Änderung der Wandungstemperatur eine, wenn möglich,
weit größere Änderung der Widerstandstemperatur entspräche. Mit der Möglichkeit
einer solchen hat man bisher nicht gerechnet. Nach der Erfindung wird sie aber dadurch
geschaffen, daß ein dissoziierendes Gas verwendet wird. Das Wärmeleitvermögen eines
solchen ist bei niederer Temperatur, solange die Dissoziation gering ist, entsprechend
der .eines nicht dissoziierenden Gases, ebenso auch wieder bei einer so hohen Temperatur,
daß die Dissoziation vollständig ist, daß also wieder ein einfaches Gas vorliegt.
Bei einer mittleren Temperatur dagegen entsteht bekannterweise eine abnorm hohe
Wärmeleitung dadurch, daß das chemische Gleichgewicht und der Dissoziationsgrad
an der kälteren Stelle, im vorliegenden Falle an der Wandung, anders ist als an
der heißeren Stelle, dem Widerstand. Es werden durch Dissoziation am Widerstand
erhebliche Mengen Wärme aufgenommen und an der kälteren Stelle durch Assoziation
wieder freigegeben, so daß die Wirkung der einer stark erhöhten Wärmeleitfähigkeit
entspricht. Diese Wirkung hat in einer bestimmten mittleren Temperatur ihr Maximum.
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Die Abb. i gibt eine Darstellung dieser Verhältnisse. Als Abszissen
sind Wandungstemperaturen T aufgetragen, als Ordinaten die Werte des scheinbaren
Leitvermögens des Gases für eine bestimmte Wärmeentwicklung im Widerstand. Die punktierte
der beiden Kurven gilt z. B. für einen Druck von 1.`2 Atm. und die vollgezeichnete
für einen solchen von i Atm. Der flache Anfang der Kurven entspricht einem Gase,
das fast ganz aus N ., D=, der flache Teil am Ende einem solchen, das fast ganz
aus NO. besteht. Die strichpunktierte, nahezu gerade verlaufende Linie
gibt die Wärmeleitfähigkeit an, die bei Abwesenheit von Dissoziation zu erwarten
wäre.
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Abb.2 stellt den Temperaturkoeffizienten des scheinbaren Wärmeleitvermögens
ientsprechend Abb. i dar. In einem bestimmten Temperaturbereich von T, bis T. ist
dieser Temperaturkoeffzie,nt positiv, in einem anderen , von T" bis Ts negativ.
Im ersten Bereich von T, bis etwa T@ wird die Temperatur des Widerstandes verhältnismäßig
weniger steigen als die Wandtemperatur. Die Wirkung ist dieselbe wie bei einem normalen
Gas, das auch einen positiven Temperaturkoeffizienten der Wärmeleitung hat, nur
ist sie viel stärker, besonders in der Mitte zwischen T, und T- In dem zweiten Temperaturbereich
zwischen T, und T3 ist der Temperaturkoeffizient des (scheinbaren) Wärmeleitvermögens
negativ, d. h. mit steigender Temperatur nimmt die Wärmeleitung bis T.4 ab, und
es muß sich eine andere Temperaturdifferenz zwischen dem Widerstand und der Wand
herstellen, als sie 1 bei normalem Gas vorhanden wäre. Die Wirkung .einer anormalen
Temperatursteigerung des Widerstandes ist dieselbe, als ob in einer der bekannten
Anordnungen ein Widerstandsmaterial verwendet würde, das einen anormal i hohen elektrischen
Temperaturkoeffizienten hätte. In Abb.3 ist eine Darstellung dieses
scheinbaren
elektrischen Koeffizienten als Ordinate in Abhängigkeit von der Temperatur als Abszisse
für einen Eisendraht in Umgebung von Stickstoffdioxyd gegeben. Die Werte des scheinbaren
elektrischen Koeffizienten erheben sich auf das Vielfache des wirklichen. Da die
Dissoziation druckabhängig ist, so kann man durch Regelung des Druckes das Maximum
des scheinbaren Temperaturkoeffizienten des Widerstandes auf verschiedene Außentemperaturen
einstellen. Von Einfluß ist außerdem die Strombelastung des Drahtes, durch die die
Temperaturdifferenz des Drahtes gegen die- Umgebung und damit die mittlere Temperatur
des Gases bestimmt wird. Je höher die Belastung ist, desto größer wird der scheinbare
Temperaturkoeffizient. Durch geeignete Wahl von Belastung und Druck kann man also
das Maximum der erzielten Wirkung auf die gewünschte Temperatur verlegen. In allen
Abbildungen ist zum Vergleich für die gleiche Strombelastung noch eine Kurve für
geringeren Druck punktiert eingezeichnet.
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Die andere Ausführungsform des Erfindungsgedankens, den Temperaturkoeffizienten
des 'Widerstandes durch geeignete Wahl der Umgebung scheinbar zu vergrößern, besteht
darin; daß das den Widerstand umgebende Gas in Berührung mit einer Flüssigkeit gebracht
wird, die in dem fraglichen Temperaturbereich einen nennenswerten Dampfdruck besitzt.
Die Dämpfe der Flüssigkeiten sind im
allgemeinen von schlechterer Leitfähigkeit
für die Wärme als die Gase, und der Dampfdruck wächst stark mit der Temperatur.
Es wird also in dem Gemisch von Gas und Dampf mit steigender Temperatur der Anteil
des Dampfes sich schnell vergrößern und die Wärmeleitfähigkeit abnehmen, so daß
zur Abgabe einer bestimmten Energiemenge i2 tv eine beträchtlich höhere Temperaturdifferenz
zwischen Draht und Wandung erforderlich ist als bei Verwendung desselben Gases ohne
Dampf, so daß die 'Wirkung der Xnderung in der Umgebungstemperatur auf den -Widerstand
erheblich vergrößert erscheint. Als Gas nimmt man zweckmäßig ein solches von guter
Wärmeleitfäliinkeit und kleinem Temperaturkoeffizienten, z. B. Wasserstoff, als
Flüssigkeit mit schlecht leitendem Dampf, z. B. Koblenstofftetrachlorid (CCl). Diese
scheinbare Vergrößerung wächst nach einem etwas anderen Gesetz als bei dem vorher
geschilderten Verfahren. Es kommt dabei auch in Betracht, ob der Gesamtdruck konstant
oder temperaturabhängig gehalten wird, z. B. ob das Gas freie Ausdehnungsmöglichkeit
besitzt oder eingeschlossen ist. Die Regelung auf die gewünschte Temperatur erfolgt
entsprechend der beim vorigen Verfahren durch Regelung der Strombelastung und des
Partialdruckes des Gases.
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Die beiden geschilderten Ausführungsformen der Erfindung sind nicht
beschränkt auf Vergrößerung des scheinbaren 'Widerstandes bei positivem Vorzeichen.
Die Vergrößerung der Temperaturdiferenz zwischen Widerstand und Wandung tritt in
derselben Weise ein bei - negativem Widerstandskoeffizienten, z. B. bei Verwendung
eines Kohlefadens statt des Drahtes. Die scheinbare Erhöhung des Temperaturkoeffizienten
ist also vom Vorzeichen unabhängig.
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Weiter kann in beiden Fällen statt eines stromdurchflossenen Drahtes,
dessen Temperaturschwankungen gesteigert werden sollen, ein beliebig geformter Körper
verwendet werden und die in ihm entwickelte Wärme einer beliebigen Quelle, auch
nicht elektrischer Natur, entstammen.
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Bei Verwendung einer Kältequelle statt der Wärmequelle kehrt sich
nur das Vorzeichen der -Wirkung um.