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Einrichtung zum Kühlen geschlossener elektrischer Maschinen und Apparate,
insonderheit solcher, bei denen ein gasförmiges, die Isolation nicht angreifendes
Kühlmittel im Kreislauf geleitet und in Kühlanlagen rückgekühlt wird Die Kühlung
elektrischer Maschinen und Apparate ist außer von der konstruktiven Durchbildung
von den physikalischen Eigenschaften des Kühlmittels abhängig. Die Wärmeableitungskonstante
des Kühlmittels, d. h. die Wärmeabfuhr der Flächeneinheit bei einem Temperaturunterschied
von i° zwischen Wand und Kühlmittel, ist nach neuzeitlichen Untersuchungen durch
den Ausdruck
gegeben, wobei X", bzw. hm die Wärmeleitfähigkeit des Kühlmittels bei der Temperatur
w der zu kühlenden Wandung bzw. der mittleren Temperatur m des Kühlmittels, y",
das spezifische Gewicht des Kühlmittels bei der mittleren Temperatur m des Kühlmittels
und c,, die spezifische Wärme pro Gewichtseinheit bei konstantem Druck bedeutet.
Dem spezifischen Gewicht Y "t sind die Reibungs-und Ventilationsverluste proportional.
Man hat bereits Unterschiede in dieser Hinsicht, welche andere Gase gegenüber atmosphärischer
Luft aufweisen, -nutzbar gemacht, um durch- Anwendung solcher anderen Kühlmittel
die Wärmeabfuhr und den Wirkungsgrad der Anlage zu steigern. Keines der bisher vorgeschlagenen
Mittel genügt jedoch allen Anforderungen. Die Verwendung besonderer Gase macht es
notwendig, sie in geschlossener Bahn durch die Maschine bzw. den Apparat zu leiten
und Rückkühler vorzusehen, in denen die erhitzten Gase wieder bis auf eine bestimmte
Temperatur abgekühlt werden. Die Rückkühlanlage muß aber häufig sehr groß bemessen
werden und mit nicht unerheblichen Kosten arbeiten, wenn man in ihr einen ausreichenden
Temyeratura_bfall erzielen will.
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Die Erfindung geht darauf hinaus, durch geeignete Wahl des Kühlmittels
nicht nur die Leistung der Maschinen und Apparate zu steigern, sondern auch dadurch
die Rückkühlanlage wirtschaftlicher und mit geringem Kostenaufwand herstellbar zu
gestalten.
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Als Kühlmittel sind bereits Wasserstoff und Kohlensäure vorgeschlagen
worden. Wasserstoffgas hat zwar den Vorzug, daß sein spezifisches Gewicht nur etwa
ein Vierzehntel von dem der Atmosphäre beträgt, so daß die Reibungsverluste im gleichen
Verhältnis kleiner werden, die spezifische Wärme pro Volumeneinheit yn # c, ist
aber praktisch die gleiche wie bei Luft, so daß sich das Gas ebenso stark erwärmt
wie Luft und hinsichtlich des Kühlers nicht viel gewonnen wird.
Da
dabei Wasserstoff einen hohen Wert für c" besitzt, so kann man die bekannten Gesichtspunkte,
möglichst Gase mit sehr hoher spezifischer Wärme der Gewichtseinheit als Kühlmittel
zu verwenden, auch nicht als Regel zur Herbeiführung der günstigsten Verhältnisse
betrachten.
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Kohlensäure hat zwar eine höhere spezifische Wärme y," # c" als Luft,
aber nur infolge des hohen Wertes seines spezifischen Gewichtes y., wodurch eine
bedeutende Steigerung der Reibungs- und Ventilationsverluste bedingt äst.
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Ammoniak, an welches man vielleicht weiterhin denken könnte, besitzt
zwar Eigenschaften, welche für Kühlzwecke geeignet sind, es ist aber insbesondere
bei Zutritt von Feuchtigkeit zufolge seines schädlichen Einflusses auf die Isolation,
der zu ihrer vollständigen Zerstörung führen kann, für elektrische Maschinen und
Apparate unbrauchbar.
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Nach der Erfindung wird Methan oder ein anderes Gas oder Gasgemisch
mit mehr als 5o % Methangehalt verwendet, dessen spezifische Wärme der Volumeneinheit
y," . c" größer als diejenige von Luft ist, oh ne daß sein spezifisches Gewicht
y;" dasjenige von Luft wesentlich übersteigt. Zweckmäßig wird man ein Gas wählen,
dessen chemische Eigenschaften keine schädlichen Wirkungen auf die Isolation auslösen.
Bei Methan trifft das letzte Merkmal zu, und aus folgender Tabelle erkennt man,
daß dieses Gas gegenüber Luft die obigen Bedingungen erfüllt und daß es ferner eine
sehr günstige Wärmeabgabekonstante C besitzt. Die angegebenen Werte beziehen sich
auf eine mittlere Temperatur von q.o°.
| γm cp γm₧cp C |
| Luft z,13 o,237 o;268 3,o |
| Methan o,625 0593 0370 5,0 |
Nimmt man an, daß die Eintrittstemperatur der Luft bei einer mit Luft gekühlten
elektrischen Maschine 35° und die maximal zulässige Temperaturzunahme ebenfalls
35° beträgt, dann bedeutet dieses eine mittlere Lufttemperatur in der Maschine von
35'+ 171/2' = 5z1/2°. Da die spezifische Wärme der Volumeneinheit von Methangas
das I,38fache von .der der Luft ausmacht, so würde zur Aufnahme der gleichen. Anzahl
von Kalorien der Temperaturzunahme von 35° bei Luft nur eine solche von etwa a§°
bei Methan entsprechen., d. h. die mittlere Temperatur würde nur q.71/2° betragen.
Die Wärmeabgabebedingungen .sind also für Methan, verglichen mit Luft, noch günstiger,
als sich aus dem obigen Vergleich der C=Werte ergibt.
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Ganz ähnlich liegt aber auch .der Sachverhalt bei dem Rückkühler der
Anlage. Das Methangas wird im Vergleich mit Luft zufolge des höheren C-Wertes und
des zu erzielenden wesentlich geringeren Temperaturgefälles bedeutend kleinere Dimensionen
für den Kühler erfordern. Man kann auch, wo dieses wünschenswert ist, mit einem
wärmeren Kühlwasser arbeiten, was für solche Anlagen besonders wichtig 'ist, bei
denen kaltes Wasser in größeren Mengen nicht zur Verfügung steht.
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Das Methangas weist ferner gegenüber Wasserstoff den großen Vorteil
auf, daß sein Explosionsbereich beim Zutritt von Sauerstoff wesentlich kleiner ist.
Auch seine DurchschZagsfestigkeit überwiegt beträchtlich die des Wasserstoffes.
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Unter Umständen kann es erwünscht sein, nicht reines Methan, sondern
ein Gemisch mit anderen Gasen anzuwenden, wobei der Methangehalt des Gasgemisches
mindestens 5o Volumenprozent betragen soll. Bedingung ist aber auch dann, daß die
beigemischten Gase nicht die Isolation angreifen und daß die spezifische Wärme der
Volumeneinheit des Gasgemisches größer als diejenige von Luft ist, ohne daß das
spezifische Gewicht des Gemisches dasjenige von Luft wesentEclh übersteigt.