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Elektrisch mittels Glimmentladung beheizter Flüssigkeitserhitzer Es
ist bereits ein elektrisch heizbares doppelwandiges Vakuumgefäß nach Art der Dewarschen
Gefäße aus Glas bekanntgeworden, welches gekennzeichnet ist durch eine unmittelbar
auf die Außenwandung des Innengefäßes .aufgebrachte leitende Belegung, die als Elektrode
für eine Gasentladung, insbesondere als Kathode für eine Glimmentladung, dient.
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Es ist ferner ein elektrischer Ofen zum Erhitzen in ihn einzubringender
Gegenstände bekanntgewö-rden, bei dem zur Erhitzung die Wärmeentwicklung des negativen
Glimmlichtes vorzugsweise in einer verdünnten Gasatmosphäre benutzt wird. Technische
Durchflußerhitzer hat man dagegen noch nicht mittels Glimmentladung beheizt, weil
sich der Durchbildung erhebliche Schwierigkeiten in den Weg stellen. Durch die Erfindung
sind diese Schwierigkeiten behoben worden.
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Zu dem Zweck ist ein elektrisch mittels Glimmentladung beheizter Durchflußerhitzer
gemäß der Erfindung in der Weise ausgebildet, daß ein von der zu erhitzenden Flüssigkeit
durchflossenes Rohrsystem in einem- Vakuumbehälter angeordnet ist und dauernd oder
zeitweise als Anode einer Gasentladung zur Erhitzung geschaltet ist, während als
Kathode entweder die Gefäßwandung oder eine oder mehrere besondere Kathoden dienen
und daß gegen den Angriff der Entladung geschützte Isolierungen für die Stromdurchführungen
vorgesehen sind. Vorteilhaft sind dabei der Isolation der Stromzuführung nicht ionisierbare
Gasstrecken vbrgeschaltet. Die Einführungsstelle und die Ausführungsstelle der Rohrschlange
sowie die besonderen Stromdurchführungen für die Kathode sind gegen den Angriff
der Gasentladung durch Ringspalte abgeschirmt, deren Spaltbreite geringer ist als
der Abstand des Glimmsaumes von der Anode. Die Ein- und Ausführungsstelle der Rohrschlange
sowie die besonderen Kathodenstromzuleitungen an ihrer Durchführungsstelle
sind
vorteilhaft mit Kühlvorrichtungen versehen. Zwischen Rohrwandung und Kühlvorrichtung
ist ferner eine Wärmeisolation geschaltet. Bei Speisung der Entladungsstrecke mittels
Gleichspannung ist der positive Pol der Rohrschlange und der negative Pol mit dem
Vakuumgefäß oder .einer gesondert abgeschirmt und isoliert eingeführten Kathode
verbunden. 'Bei Anlegen einer Wechselspannung an die Entladungsstrecke ist der eine
Pol der Sekundärwicklung des Transformators mit der Rohrschlange und der andere
Pol mit einer oder mehreren gesondert abgeschirmt und isoliert eingeführten Kathoden
verbunden. Die Glimmentladung wird bei 40 bis o,ooi, vorzugsweise aber bei 5 bis
o,ooi mm Hg vorgenommen.
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Das durchflossene Rohrsystem ist also zur Erhitzung zeitweise oder
dauernd als Anode oder neutral im Unterdruck einer Gasentladung, vorteilhaft einer
Glimmentladung, ausgesetzt. Die Kathode der Gasentladung bildet dabei vorteilhaft
das Vakuumgefäß, in welches das Rohrsystem eingesetzt ist. Zum Durchlauf der Flüssigkeit
dient vorzugsweise eine Rohrspirale, die von der zu erhitzenden Flüssigkeit durchflossen
wird und die als Anode oder neutral geschaltet ist. Der Anfang und das Ende der
Rohrspirale sind abgeschirmt und isoliert in das Vakuumgefäß eingeführt. Der Isolation
der Rohrspirale wird vorteilhaft eine nicht ionisierbar.e Gasstrecke vorgeschaltet.
Bei der Durchflußerhitzung können eine oder beide Durchführungen der Rohrspirale
mit einem Kühlmantel versehen werden. Zwischen der Rohrwandung und der Kühlvorrichtung
kann dabei vorteilhaft eine Wärmeisolation eingeschaltet werden. Durch ein Thermoelement
kann die Temperatur der Flüssigkeit über Regelmittel, z. B. durch Verändern oder
zeitweises Unterbrechen der Entladungsspannung eingestellt und konstant gehalten
werden. In der Vorrichtung können beliebige flüssige oder gasförmige Medien erhitzt
werden, z. B. Wasser, öl, Luft o. dgl. Die Temperatur des durchflossenen Systems
kann beliebig eingestellt werden. Bei Erhitzen von Flüssigkeiten z. B. kann die
Temperatur bis zum Siedepunkt oder darüber, bei der von Gasen z. B. bis zu iooo°
und mehr, je nach dem Material der Rohrspirale eingestellt werden.
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Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erzielt: Die elektrische
Energie einer Gasentladung setzt sich bei dem normalen Kathodenfall fast völlig
an der Kathode in Wärme um. Es wurde nun gefunden, je höher die Belastung der Gasentladung
gewählt wird, tun so weniger von der zugeführten elektrischen Leistung wird am Kathodenmaterial
in Wärme umgesetzt. So ergibt sich bereits bei einer Belastung von über 2 bis 3
Watt an Eisen als Kathodenmaterial etwa 5ooö, an Aluminium als Kathodemnaterial
sogar nur noch etwa 3oo'o, die in Wärme direkt an der Kathode umgesetzt werden.
Bei noch höheren Belastungen pro Quadratzentimeter ergeben sich noch ungünstigere
Werte. Die übrige Energie setzt sich im Gasraum hinter dem Glimmsaume der Kathode
in Wärme um. Diese elektrische Energie wird nun direkt an der Rohrspirale, die z.
B. innerhalb des Vakuumgefäßes angeordnet ist, frei. Die Rohrspirale dient somit
als Heizelement; hierdurch wird eine günstige Wärmeübertragung vom Heizelement auf
das zu erhitzende Medium erzielt. Der Wirkungsgrad ist sehr hoch. Die Anheizzeit
gegenüber anderen Heizungsarten ist eine denkbar kurze, also eine hohe Wirtschaftlichkeit,
besonders bei diskontinuierlichem Betrieb. Die Rohrspirale ist gegen Verzunderung
oder sonstigen chemischen Angriff geschützt, so daß auch bei längerem Betrieb der
Wirkungsgrad erhalten bleibt. Besonders hervorzuheben ist der Fortfall besonderer
Heizelemente und die damit verbundenen geringen Instandhaltungs- und Reparaturkosten.
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Die so beheizte Rohrschlange bietet gegenüber anderen Heizungsarten
den Vorteil, daß das Rohrmaterial durch den Einfluß der Luft oder der Heizgase keinem
Verschleiß durch Verzunderung oder sonstigem chemischem Angriff ausgesetzt ist,
wodurch ein Durchbrennen der Rohrschlange vermieden wird. Ablagerungen durch Ruß
u. dgl. oder schlechter Wärmeschluß bei elektrischer Beheizung und somit ungleichmäßige
Erhitzung sind unmöglich.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel dargestellt,
und zwar zeigt die Abb. i einen Schnitt durch einen elektrisch beheizten Durchflußerhitzer
mit Glimmstrombeheizung im Vakuum, die Abb.2 einen Teil einer Rohrdurchführung in
das Gefäß, die Abb.3 ein Schaltungsschema für Gleichstrombeheizung und die Abb.
q ein Schaltungsschema für Wechselstrombeheizung.
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In der Abb. i, die einen Durchflußerhitzer mit Glimmstromheizung im
Vakuum darstellt, ist i die Heizschlange mit dem angeschlossenen Zuleitungsrohr
2 und Ableitungsrohr 3 sowie dem eine positive Spannung führenden Stromkabel q.
Die Rohrschlange i, die also an dieser Stelle die Anode bildet, befindet sich in
dem Vakuumgefäß 5, das durch einen Deckel 6 mit Dichtung 7 vakuumdicht mittels der
Schrauben 8 verschließbar ist. Durch die Vakuumpumpe g kann das Vakuumgefäß
über
das Ventil io auf den gewünschten Druck, der für die Glimmstromheizung erforderlich
ist und der etwa zwischen 5 bis o,oi mm liegt, ausgepumpt werden.
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Die Elektrode i i kann die Anode sein, wenn die Rohrschlange neutral
der Gasentladung zur Erhitzung ausgesetzt wird; sie wird von der Stromdurchführung
12 getragen, die hohl iuld kühlbar ausgebildet ist und der durch die Leitung 13
ein Kühlmittel zugeführt und durch die Leitung 14 abgeleitet werden kann. Durch
das Kabel 15 wird die positive Spannung zugeführt. Die Stromdurchführung ist durch
die Metallhülse 16 abgeschirmt, die die Stromzuführung in so geringem Abstande umgibt,
daß keine Glimmentladung in dem Zwischenraum stattfindet. 17 ist ein Isolierring,
und 18 und i 9 sind zwei Dichtungsringe, während 20 ein Anpreßring gleichfalls aus
Isoliermaterial ist. Dem Vakuumgefäß wird durch das Kabel 21 die negative Spannung
zugeführt. Ferner ist das Vakuumgefäß ,außen mit einem Mäntel umgeben, der ein Kühlmittel
oder ein WärmeisoIiermaterial 22, z. B. Kieselgur, enthält.
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Die Heizschlange i ist in dem Deckel 6 des Vakuumgefäßes mittels der
beiden isolierten Durchführungen 23 und 24 eingeführt. 25 und 26 sind zwei metallene
Abschirmhüllen, die in so geringem Abstande von der Rohrschlange angeordnet sind,
daß sich in dem Zwischenraum keine Glimmentladung ausbildet. 27 und 28 sind zwei
Isolierringe, 29 und 30 sind zwei Dichtungsringe, und 31 und 32 sind zwei
weitere Isolierringe, die durch die Schraubringe 33 und 34 angepreßt werden.
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Als Spannung für die zum Heizen dienende Glimmentladung können je
nach der gewünschten Temperatur und den Unterdrucken, bei welchen die Entladung
vor sich geht, bis zu io ooo Volt oder mehr angelegt werden. Im praktischen Betriebe
haben sich Spannungen von 4.0o bis 4ooo Volt als ausreichend erwiesen. Die Belastung
der Kesseloberfläche kann zwischen o,i und ioo Watt pro Quadratzentimeter betragen.
Im praktischen Betriebe wurden Leistungen bis zu 15 Watt pro Quadratzentimeter angelegt.
Dabei wurden Temperaturen von über iooo° C eingestellt. Als Material für die Rohrschlange
eignen sich grundsätzlich alle Metalle. Zum Erhitzen von Flüssigkeiten wie oben
genügen z. B. Aluminiumrohre.
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An der Abb. 2, die eine Durchführung des Schlangenrohres i durch den
Deckel 6 in vergrößertem Maßstabe zeigt, ist das Schlangenrohr mit einem Isoliermantel
35 umgeben, um den ein Kühlmantel 36 greift, der durch die metallene Abschirmhülse
37 abgeschirmt wird. Die Kappe 38, die mittels der Sehraube 39 auf den erforderlichen
Abstand einstellbar ist, dient .als Schutzkappe gegen das Eindringen von Ladungsträgern,
Staub oder Metallteilchen in dem Zwischenrohr von Rohr und Abschirmung.
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In der Abb.3, die ein Schaltungsschema für Gleichstromheizung darstellt,
ist 40 eine Gleichstromquelle, deren positiver Pol über einen Schalter ¢1 mit der
Heizschlange i in Verbindung steht. Der negative Pol der Gleichstromquelle ist über
einen Widerstand 42 und einen Schalter 43 mit dem Vakuumgefäß 5 in Verbindung. Der
positive Pol kann auch über den Schalter 44 mit der Elektrode i i verbunden werden,
wenn man die Rohrschlange neutral schalten will.
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In der Abb. q., die ein Schaltungsschema für Wechselstromheizung darstellt,
ist die Sekundärspule q.5 des Wechselstromtransformators q.6 ,einerseits über .einen
Schalter q.7 mit dem Vakuumgefäß 5 und anderseits über einen regelbaren Widerstand
48 mit der Elektrode 49 in Verbindung.
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Es ist bereits ein elektrisch heizbares, doppelwandiges Vakuumgefäß
nach Art der Dewarschen Gefäße aus Glas bekanntgeworden, welches eine unmittelbar
auf \ die Außenwandung des Innengefäßes aufgebrachte leitende Belegung besitzt,
die als Elektrode für eine Gasentladung, insbesondere für eine Glimmentladung dient,
während als Anode eine zweite Belegung .auf der isolierenden Glaswandung angeordnet
ist. Eine derartige elektrisch heizbare Thermosflasche, die sich praktisch nicht
eingeführt hat, weil die Heizung leicht zum Zerspringen des Glasgefäßes führt, ist
nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Die Erfindung bezieht sich viehhehr auf einen technischen, metallischen
Durchflußerhitzer, der keine Glaswandung besitzt und bei dessen Erstellung erhebliche
technische Schwierigkeiten z. B. in bezug auf die Isolation, Dichtung und Ausdehnung
zu überwinden waren, ,alles Probleme, die bei einer Thermosflasche aus isolierendem
Glas überhaupt nicht auftreten.