DE7143069U - Vorrichtung zur Durchfuhrung von Tief temperaturversuchen - Google Patents

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dr.-lng.'l=?. I^Öpjg· ·_#·θίρ1_#.-1η&. K. Bergen

Patentanwälte · αόοο Düsseldorf 30 '·'' fcecilien'elle'e 7β · ^-* Telefon 432732

G 71 43 069.8 25. Juli 1973

Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH, 4000 Düsseldorf, Max-Planck-Straße 1

"Vorrichtung zur Durchführung von Tieftemperaturversuchen¹¹

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Durchführen von Tieftemperaturversuchen, insbesondere Zug- und Biegeversuchen, mit einem wärmeisolierten Behälter zur Aufnahme eines Kühlmittels und einer Probe.

Es ist bekannt, daß sich beim Wärmeübergang von einem Körper in eine Flüssigkeit an der Körperoberfläche Dampfblasen bilden, wenn die Temperatur der Körperoberfläche merklich über der Siedetemperatur der Flüssigkeit liegt. Die Menge der sich bildenden Blasen an der Körperoberfläche ist dabei von der Überhitzung der Flüssigkeit, d.h. von dem Temperaturunterschied Δ T zwischen der Körperoberfläche und der Sattdampftemperatur T_g abhängig. Die Dampfblasenbildung an der Körperoberfläche führt dazu, daß die Wärmeübergangszahl nicht konstant ist, sondern sich in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz ändert. So erhöht sich mit steigender Temperaturdifferenz die Wärmeübergangszahl bis zu einem Maximum und fällt alsdann in dem Maße wieder ab, wie sich einzelne Dampfblasen an der Austauschfläche miteinander verbinden und schließlich einen zusammenhängenden stabilen Oberflächenfilm bilden, so daß die Flüssigkeit nicht mehr mit der Körperoberfläche in Verbindung steht. Sobald dieser Zustand eines stabilen Dampffilms bei einer kritischen Temperaturdifferenz erreicht ist, behält die Wärmeüber-

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gangszahl den bei dieser Differenz sich einstellenden konstanten Wert bei weiterer Erhöhung der Temperaturdifferenz bsi. sdsn&s disss nicht so groß ist dsS dsr W^rsisUbsr'-gang durch Strahlung merklich ins Gewicht fällt. Der sich oberhalb der kritischen Temperaturdifferenz einstellende kleine Wert der WärmeUbergangszahl bedingt einen sehr schlechten Wärmeübergang. Das Kühlen eines Körpers kann also wirtschaftlich nur in einem engen Bereich der Temperaturdifferenz durchgeführt werden.

( Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, eine Vorrichtung zu schaffen, die auch bei großer Temperaturdifferenz sowie in einem möglichst weiten Bereich von Temperaturdifferenzen einen optimalen Wärmeübergang erlaubt. Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf dem Gedanken, die Temperaturdifferenz so einzustellen und/oder zu steuern bzw« zu regeln, daß sie an der Austauschfläche stets unter der kritischen Temperaturdifferenz liegt und vorzugsweise ihren optimalen Wert annimmt, der dem maximalen Wärmefluß entspricht. Dies ist möglich, wenn mindestens ein Teil der Oberfläche des Körpers eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt und/oder der Körper mit Erhebungen versehen ist und somit durch einen variablen Wärmewiderstand

ν auf die optimale Temperaturdifferenz gebracht wird.

Ein variabler Wärmewideretand wird dadurch erzielt, daß die der Kühlflüssigkeit zugewandte Oberfläche des Körpers mit einer Deckschicht mit großem Wärmewiderstand versehen wird und/oder der Körper Erhebungen erhält, die ihrerseits mit einer solchen Deckschicht versehen werden können. Der variable Wärmewiderstand bedingt unterschiedliche Temperaturdifferenzen entlang der Körperoberfläche und/oder entlang der Erhebungen, so daß bei entsprechender Wahl des Materials, der Dicke und Oberflächenbeschaffenheit der Deckschichten eine Oberflächenzone entsteht, an der die

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optimale Temperaturdifferenz herrscht.

Die Deckschicht kann aus verschiedenen nebeneinander angeordneten Teilschichten unterschiedlichen Wärmewiderstandes bestehen. Für die Wirksamkeit einer Deckschicht ist eine gute Haftung auf der Körperoberfläche erforderlich, da es andernfalls zu einem partiellen Ablösen der Schicht und damit zu einem zonenweisen Undefinierten Wärmeübergang kommen kann· Eine Steigerung des Wärmeübergangs durch eine grobe Aufrauhung der Schichtoberfläche wird dadurch erzielt, daß an den Spitzen des Rauhigkeitsprofils die Bildung einzelner Blasen begünstigt wird, die sich leicht ablösen und dadurch sowohl die Konvektion erhöhen als auch der Ausbildung eines stabilen Dampffilms entgegenwirken.

Die Erhebungen auf der Körperoberfläche können beispielsweise aus gut wärmeleitend miK der Körperoberfläche verbundenen Drähten oder Blechen bestehen. Beim Wärmeübergang von einem mit Drähten versehenen Körper bildet sich in axialer Richtung der Drähte ein exponent!eller Temperafurabfall aus, dem ein exponent!eller Verlauf der Temperaturdifferenz zwischen Drahtoberfläche und Kühlflüssigkeit entspricht.

Um den optimalen Wärmeübergang in einer Drahtzone zu erreichen» muß die Drahtlänge einen bestimmten Wert, die Startlänge überschreiten. Diese hängt ab vom Durchmesser, der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs und von der kritischen Temperaturdifferenz. Sind die Drähte mit einer Deckschicht versehen, so ist die kritische Temperaturdifferenz durch deren Material und Oberflächenbeschaffenheit bestimmt.

Fällt die Temperatur des zu kühlenden Körpers ab, so verringert sich zwangsläufig die Temperaturdifferenz zwischen Drahtoberfläche und Kühlflüssigkeit; dementsprechend wan-

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dert die Zone des optimalen Wärmeübergangs in Richtung auf die Oberfläche des Körpers, bis sich ein neuer Gleichgewichtszustand einstellt. Umgekehrt wandert die Zone optimalen Wärmeübergangs bei einer Temperaturerhöhung des Körpers nach außen in Richtung auf das freie Drahtende.

Die Vorrichtung stellt mithin ein System mit variablem Wärmewiderstand dar, bei dem sich für jede Temperaturdifferenz der jeweils optimale Wert des Wärmewiderstandes selbsttätig einstellt.

Damit stets Oberflächenbereiche mit optimalem Wärmeübergang existieren, kann die Deckschicht so beschaffen sein, daß sich zonenweise unterschiedliche Temperaturdifferenzen ergeben. Dies läßt sich durch veränderliche Schichtdicken oder zonenweise unterschiedlichem Material der Deckschicht erreichen. In diesem Fall ergibt sich immer in denjenigen Oberflächenzonen ein maximaler Wärmeübergang, an deren Austauschfläche die Temperaturdifferenz dem optimalen Wert entspricht.

Die Austauschfläche kann auch mit einer Vielzahl von Drähten versehen sein, die mit der Oberfläche des zu kühlenden Körpers gut wärmeleitend verbunden sind. In diesen Fällen fließt die Wärme aus dem zu kühlenden Körper durch det~-3n als Austauschfläche fungierende Oberfläche in die Drähte, über deren Länge sich infolge des radialen Wärmeübergange in die siedende Kühlflüssigkeit ein Temperaturgefälle mit annähernd exponentiellem Verlauf ergibt. Der Änderung der Temperatur in axialer Richtung entspricht eine Änderung der TemperaturcLLfferenz zwischen Drahtoberfläche und Kühlflüssigkeit, so daß sich in axialer Richtung des Drahtes der Wärmefluß mit der jeweiligen Temperaturdifferenz ebenso ändert.

Durch Verwendung einer Vielzahl von Drähten wird die Kühlleistung gegenüber der bei Verwendung eines Drahtes erheblich vergrößert. Ein kennzeichnendes Maß ist dann der gesamte wärmeableitende Querschnitt, das ist die Summe der Einzelquerschnitte aller Drähte. Wird dieser mit einem festen Wert zugrundegelegt, so ist die Zahl der Drähte umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Durchmessers. Obwohl die Kühlleistung eines einzelnen Drahtes mit abnehmendem Durchmesser sinkt, steigt sie bei einer Vielzahl von Drähten bei festem an. Der Feinheit der Drähte und damit ihrer Anzahl ist dadurch eine Grenze gesetzt, daß jeder Draht von der Kühlflüssigkeit umspült werden muß.

Es liegt auf der Hand, daß sich ein optimaler Wärmeübergang ergibt, wenn nicht nur die Drähte, sondern auch die zwischen ihnen befindliche Oberfläche des zu kühlenden Körpers mit einer Deckschicht versehen sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung von Zugversuchen und

Fig, 2 einen Ausschnitt aus den Siedekammern der Vorrichtung nach Fig. 1.

Voraussetzung für exakte Untersuchungen ist eine hinreichend genaue und gleichmäßige Temperierung der Proben während des Versuchs, da der übergang duktilspröde in einem engen Temperaturintervall erfolgt. Als Kühlflüssigkeit dient flüssiger Stickstoff, mit dem die Temperatur im Bereich von -50⁰C bis -196⁰C einstellbar ist.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung dienen

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sowohl die Verdampfungswärme als auch die spezifische Wärme des kalten Gases der Kühlung. Um eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung in der Probe zu erreichen, werden auch die Einspannstücke temperiert, so daß die Wärmeeinströmung aus dem Zuggestänge kein Temperaturgefälle in der Probe erzeugt. Zusätzlich ist ein Abschirmen des Probenraumes gegen die Umgebung erforderlich.

Die Probe 20 wird in zwei konische Einspannstücke 21, 22 aus Edelstahl eingeschraubt, auf denen Kühlköpfe 23» 24 jf aus Kupfer angeordnet sind. Die konischen Einspannstücke gewährleisten trotz unterschiedlicher Wärmeausdehnung von Kupfer und Stahl einen stets guten Wärmekontakt·. Die aufgesetzten Kühlköpfe sind rotationssymmetrisch aufgebaut und bestehen aus einem zwischen zwei dickwandigen Flanschplatten 25, 26 und 27» 28 angeordneten inneren Konus 29» 30, dem Wärmeaustauscher 31» 32 und der äußeren Siedekammer 33» 34. In die Deckflanscho sind extrem trägheitsarme Niedervolt-Heizelemente 35» 36 eingelötet· Der Probenraum 1st außer durch Schaumstoff 37 durch einen doppelwandigen Kupferzylinder 38 abgeschirmt.

In der Siedekammer 33» 34 wird der flüssige Stickstoff verdampft; dabei erreicht der Wärmefluß normalerweise in einem verhältnismäßig kleinen Bereich der Temperaturdifferenz hohe Werte. Um in einem großen Temperaturbereich eine möglichst hohe Kühlleistung zu erzielen» sind die aus Kupfer bestehenden Wände 39» 40 der Siedekammern 33» 34 erfindungsgemäß mit einer rauhen Lackschicht versehen. Dadurch wird der Bereich der Temperaturdifferenz, in dem der Wärmeübergang groß ist» gegenüber blankem Kupfer ausgedehnt und außerdem der Wärmeübergang in diesem Bereich wesentlich erhöht.

Um bei großer Temperaturdifferenz eine hohe Kühlleistung

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zu erzielen, müssen die Siedekammern zusätzlich noch mit einem variablen Wärmewiderstand versehen sein. Im Hinblick auf möglichst kompakte und leistungsfähige Siedekammern müssen, um die Startbedingung zu erfüllen, bei Verwendung von Drähten mit variablem Wärmewiderstand diese entweder 3ehr dünn sein oder bei größerer Dicke aufgerollt werden. Nachteilig ist bei dünnen Drähten die geringe mechanische Festigkeit und die hohe Anzahl. Bei aufgerollten Drähten läßt sich wegen des großen Platz^edarfs unter gegebenen Verhältnissen nur eine relativ geringe Anzahl unterbringen. Bei der Startlänge spielt das Verhältnis von Oberfläche/Längeneinheit zum ableitenden Querschnitt eine wesentliche Rolle, und zwar läßt sich durch Vergrößerung der Oberfläche die Startlänge wesentlich herabsetzen. Es lassen sich relativ viele dicke, kurze und gerade Drähte verwer-den_t wenn deren Oberfläche/Länge entsprechend vergrößert wiM. Dies kam* z.B. dadurch geschehen, daß zwischen dicken Drähten 41 dünner Draht nach Art eines Korbgeflechtes 42 angeordnet ist. Durch entsprechende Löt- bzw. Schweißverbindungen muß ein guter Wärmekontakt zwischen den dünnen und den dicken Drähten, sowie zwischen der Wand der Siedekammer und den dicken Drähter, gewährleistet sein.

W Das beim Sieden entstehende Stickstoffgas wird durch den Gaswärmeaustauschcr 33» 34 und durch die Drosseldüsen 43, 44 in den Probenraum 45 geleitet. Die durch die Drosseldüsen strömende Gasmenge ist vom überdruck in den Siedekammern 33» 34 abhängig. Dieser setzt sicn, wie folgende Überlegung zeigt, mit dem Druck in der Stickstoffzuleitung ins Gleichgewicht. Ist der Druck in den Siedekammern niedriger als in den Zuleitungen, wird flüssiger Stickstoff in die Siedekammern gedrückt, der Füllstand erhöht sich und es werden mehr Drähte 41, 42 benetzt. Dadurch wird mehr flüssiger Stickstoff verdampft, und der Druck steigt an. Wird der Druck in den Siedekammern 33» 34 größer als in den

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Zuleitungen, wird flüssiger Stickstoff in den Vorratsbehälter zurückgedrückt. Die Füllstandshöhe in den Siedekaimnern 33, 34 sinkt. Dadurch werden jetzt weniger Drähte 41, 42 benetzt, das Sieden des Stickstoffs nimmt ab und damit auch der Druck. Es handelt sich hier um einen selbsttätigen Regelmechanismus, wie er vom Kip_. 'sehen Gasentwickler her bekannt ist.

Zum Einstellen und Konstanthalten der Temperatur dient eine elektrische üegelung; dabei gibt es zwei Möglichkeiten, die gewünschte Temperatur einzustellen; nämlich durch Änderung der Kälteleistung und variable elektrische Wärmezufuhr. Mit dem Druck läßt sich die Kälteleistung in weiten Grenzen ändern. Für eine gute Regelung erweist sich das System als zu träge.

Bei konstant gehaltener Kälteleistung werden alle vier Flanschplatten einzeln mittels elektronisch geregelter Heizelemente auf der gewünschten Solltemperatur gehalten. Dazu sind Temperaturmeßfühler in die Flanschplatten eingelötet. Zum Messen der Probentemperatur ist ebenfalls ein Thermoelement angebracht. Sämtliche Vergleiehslötstellen befinden sich in einem elektronisch geregelten Thermostaten mit einer Vergleichsstellentemperatur von +50⁰C. Ein Meßstellenumschalter gestattet es, in beliebiger Reihenfolge die Thermoelemente abzufragen. Dazu wird das Signal über einen chopperstabilisierten Verstärker auf den Eingang eines Digitalvolemeters gegeben und dort abgelesen.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Kryostaten im Vergleich zu üblichen, ist der große Temperaturbereich, der z.B. bei Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel von ca. + 50°C bis 196⁰C reicht, also bis zur Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs. Allgemeines Kennzeichen der zur Anwendung kommenden Kryostaten ist der Aufbau aus Siedekam-

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mer, Gaswärmeaustauscher und elektronischer geregelter elektrischer Heizung. Die einzelnen Aggregate müssen einen guten Wrmekontalct miteinander nahen, Die zufuhr des flüssigen Kühlmittels unter Druck wird durch einen Kipp'sehen Mechanismus geregelt.

Der Wärmeübergang vom zu kühlenden Objekt erfolgt entweder durch Wärmeleitung und/oder durch Konvektion. Ein breites Anwendungsfeld liegt in der Materialprüfung wie bei Zug-, Biege- und beim Kerbschlagversuch sowie zur Prüfung großer Bauteile beim Robertson- und Pellini-Test, beim COD- und KjQ-Versuche. Hierbei erfolgt die Temperierung dadurch, daß die Kryostatenelemente gut plan an den zu temperieren den Objekten anliegen.

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Claims (5)

Max-Planck-Institut für Eisenforschimg GmbH, 4000 Düsi3eldorf, Max-Planck-Straße 1 Schutzansprüche:

1. Vorrichtung zur Durchführung von Tieftemperaturversuchen, insbesondere von Zug- oder Biegeversuchen, mit einem wärmeisolierten Behälter zur Aufnahme eines Kühlmittels und einer Probe, gekennzeichnet durch mindestens eine mit einer Kühlmittelzuleitung verbundene und Austrittsöffnungen (43, 44) aufweisende Siedekammer (33, 34), deren dem Kühlmittel zugekehrte Oberfläche eine Deckschicht mit höherem Wärmewiderstand besitzt und/oder ,ait Erhebungen (41, 42) mit höherem Wärmewiderstand versehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Erhebungen (41, 42) eine dem Kühlmittel zugekehrte Deckschicht mit höherem Wärmewiderstand besitzen.

Q 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht eine unterschiedliche Dicke besitzt und/oder aus unterschiedlichem Material besteht.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich von der Oberfläche aus Drähte (41, 42) und/oder Bleche erstrecken.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Drähte (41, 42) und/ oder Bleche mindestens gleich der Startlänge ist.

Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberfläche der Deckschicht grob aufgerauht ist. 6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Drähte (41, 42) und/oder Bleche einen im Verhältnis
zu ihrem Gesamtquerschnitt geringen Einzelquerschnitt be
sitzen. I 7· Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
7, gekennzeichnet durch zwei ring
förmige, im Abstand voneinander angeordnete, Einspannstük-
ke (21, 22) umschließende ringförmige Siedekammern (33,
34). ' -1 ⁸·
ί'
ί Vorrichtung nach Anspruch'8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Einspannstücke (21, 22) konisch
ausgebildet und von Wärmeaustauschern (31, 32) umgeben
sind. ^! 9. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß in der Siedekammerwandung
Heizelemente (35, 36) angeordnet sind. ι ¹°· Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß
vom Innern des Wärmeaustauschers Drosseldüsen (43, 44) in
einen zwischen den Siedekammern (33» 34) befindli ,;*en Pro
benraum (45) führen. 11. 7143069 u. «.73