DE72802C - Verfahren zur technischen Verwertung der bei der galvanischen Polarisation auftretenden Wärmeentwicklung - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21: Elektrische Apparate.

E. LAGRANGE und PAUL HOHO in BRÜSSEL.

Wärmeentwicklung.

Patentirt im Deutschen Reiche vom 4. Juni 1892 ab.

Vorliegende Erfindung besteht in einem neuen Verfahren zur Erzeugung von Wärme mittelst des elektrischen Stromes für gewerbliche Zwecke und ist in beiliegender Zeichnung veranschaulicht.

In derselben zeigt:

Fig. ι im Längenschnitt einen Behälter a, der geeignetenfalls aus Holz bestehen kann und eine Flüssigkeit b enthält, in welche eine Elektrode c aus irgend einem leitenden Stoff taucht. Diese Elektrode, der man eine möglichst grofse Oberfläche giebt, ist mit der Elektricitätsquelle d leitend verbunden. Das Arbeitsstück e, hier eine Metallstange, bildet die andere Elektrode, ist ebenfalls mit der Elektricitätsquelle d leitend verbunden und taucht auf die zu erhitzende Strecke in die Flüssigkeit.

In der Zeichnung ist die Leitung geschlossen gedacht, und die gas-elektrische Hülle, welche sich um die eingetauchte Oberfläche von e bildet, angedeutet.

Fig. 2 zeigt die Anordnung im Grundrifs mit zwei Arbeitsstücken e, die mit demselben Pol verbunden sind.

Fig. 3 zeigt die örtliche Beschränkung der Wärme an einer gegebenen Stelle der Stange e.

Fig. 4 stellt die Anwendung des Verfahrens behufs Zusammenschweifsens zweier Metallstangen dar, deren zu erhitzende Theile in die Flüssigkeit getaucht sind.

Fig. 5 zeigt die Erwärmung eines Körpers e unter Ersatz der Flüssigkeit durch einen feuchten Körper, z. B. einen Wasser- oder Dampfstrahl b. Die Leitung wird durch de b e d gebildet.

In Fig. 6 ist die Wärme auf einen einzigen Punkt eines Werkstückes e beschränkt, und zwar ist an dieser Stelle ein feuchter Körper, z. B. ein Schwamm b, angebracht. Der Strom wird durch ein leitendes Stück c dem angefeuchteten Schwamm zugeführt.

Fig. 7 und 8 zeigen die Anwendung des Verfahrens zur Erhitzung eines Erzes z. B. in einem Gefäfs aus leitendem Stoff, welcher widerstandsfähig gegen hohe Wärmegrade ist, und

Fig. 9 endlich zeigt das Härten von Körpern. Der zu härtende Körper, z.B. ein Glas, ist hierbei in einem leitenden Behälter e untergebracht, welcher durch die Einwirkung des Stromes entweder ganz oder theilweise erhitzt und zu diesem Zweck mehr oder weniger tief in die Flüssigkeit b getaucht wird. Hat der zu härtende Körper den erwünschten Wärmegrad erreicht, so wird der Strom unterbrochen, und der Körper wird dann mit oder ohne seinen Behälter in die Flüssigkeit getaucht.

In einem der Wärmewirkung eines elektrischen Stromes ausgesetzten Körper ist die bei Durchgang dieses Stromes innerhalb einer gegebenen Zeit entwickelte Wärmemenge proportional dem elektrischen Widerstand dieses Körpers und dem Quadrat der Stromstärke. Wenn dieser Widerstand verhältnifsmäfsig klein ist, wie es z. B. bei den Metallen der Fall ist, so ist also eine verhältnifsmäfsig grofse Stromstärke bei geringer elektromotorischer Kraft er-

forderlich, um die nöthige Wärmemenge zu entwickeln, mittelst welcher der betreffende Körper bis zur Weifsgluth gebracht wird.

Den zahlreichen bei der praktischen Anwendung entstehenden und eben aus den Wirkungen dieses Grundgesetzes herzuleitenden Uebelstä'nden ist es zuzuschreiben, dafs die verschiedenen gewerblichen Anwendungen der Wärmeerzeugung auf elektrischem Wege bisher noch so wenig Bedeutung erreicht haben.

Hinsichtlich der praktischen Anwendbarkeit und vorzüglich aus wirthschaftlichen Rücksichten kommt es darauf an, dafs die anzuwendende Stromstärke bei einer grofsen elektromotorischen Kraft möglichst gering ist. Dies ist nun die Aufgabe, welche wir durch vorliegende Erfindung dadurch gelöst haben, dafs wir bei Durchgang des Stromes einen natürlichen, auf den zu heizenden Theilen beschränkten grofsen Widerstand erzeugen, und zwar wird dieses dadurch erreicht, dafs ein flüssiger Körper so in den Stromkreis eingeschaltet wird, dafs der der Wärmeentwicklung des Stromes auszusetzende Theil des festen Körpers mit dieser Flüssigkeit in Berührung steht, und dafs der gröfste Widerstand gegen den Strom an der Berührungsoberfläche liegt.

Wenn man demgemäfs einen elektrischen Stromkreis herstellt (Fig. i), dessen beide Endpole die irgend einer elektrischen Stromquelle d sind, und den einen Pol c mit einer Elektrode mit grofser Oberfläche in Verbindung bringt, die in eine in irgend einem Gefäfs α befindliche leitende Flüssigkeit b getaucht ist, den anderen hingegen mit einer Elektrode, welche der zu erhitzende Körper beispielsweise eine Metallstange e sein kann, und endlich den Strom durch mehr oder minder tiefes Eintauchen der Stange in das Bad schliefst, so bildet sich bei dem Stromschlufs des Metalls e mit dem Bade b und unter gewissen Umständen , welche von der Gröfse der Berührungsfläche, der Beschaffenheit der Flüssigkeit und der Gröfse der elektromotorischen Kraft abhängen, eine sich unmittelbar um den eingetauchten Theil des Metalls herumlegende Gashülle. Der elektrische Strom, welcher von einer Elektrode zur anderen durch die Flüssigkeit hindurchgeht, mufs diese Gashülle durchströmen, welche den elektrischen Widerstand an der Berührungsfläche weit über den normalen Werth des Widerstandes vergröfsert.

Es bildet sich demgemäfs an der Berührungsstelle ein besonderer Zusatzwiderstand, welchem wir den Namen »Gaso-elektischer Widerstand« beilegen, und welcher je nach der Beschaffenheit der Flüssigkeit eine bedeutende Stärke erreichen kann. Der Strom erleidet somit an der Durchgangsstelle ein bedeutendes Gefälle des Potentials, und ein grofser Theil der Stromenergie wird daselbst in Wärme umgewandelt.

Aus den besonderen Erscheinungen, welche mit der Bildung der Gashülle verbunden sind, läfst sich Folgendes herleiten:

ι. Die Beschränkung des Zusatzwiderstandes auf eine gewisse Stelle hat zur Folge, dafs die Wärmewirkung auf den festen Körper sich besonders auf diese Stromschlufsstellen und auf die denselben unmittelbar benachbarten Stellen überträgt und dort auf diese betreffenden Stellen beschränkt wird, welches auch die Stelle der Stromeinleitung in den festen Körper sein mag.

2. Die so entwickelte Wärme kann durch die Zusammensetzung des Bades oder durch elektrische und mechanische Mittel beliebig geregelt werden und die höchsten Grade, wie solche bis jetzt für gewerbliche Zwecke noch nicht erzielt worden sind, erreichen.

3. Wenn der feste Körper die negative Elektrode bildet, so wird er einer reducirenden Wirkung unterworfen, oder einer Wirkung, welche seine chemische Verbindung mit den positiven Elementen des Elektrolyten begünstigt; wenn im Gegentheil der Körper die positive , Elektrode bildet, so wird er einer oxydirenden I Wirkung unterworfen, oder einer Wirkung, j welche seine Verbindung mit den negativen Elementen des Elektrolyten begünstigt.

4. Die entwickelte Wärme kann bei der Berührungsstelle der Elektrode mit dem Elektrolyten chemische Wirkungen begünstigen oder hervorrufen, und zwar, sei es auf der Elektrode, welche aus einem oder mehreren Theilen oder aus einem oder mehreren Körpern bestehen kann, die mit demselben Pol verbunden sind (Fig. 2), sei es auf den verschiedenen Körpern oder Theilen der Elektrode, oder sei es zwischen diesen Körpern oder Theilen der Elektrode und dem Elektrolyten oder den Substanzen, welche diesen letzteren hinzugefügt sein können, ob sich nun die elektrolytische Wirkung des Stromes aufserdem diesen durch die entwickelte Wärme begünstigten oder hervorgebrachten chemischen Wirkungen beigesellt oder nicht.

5. Wenn die Elektrode ein Metall ist, so bildet sich an ihren Berührungsflächen mit dem Elektrolyten gleichzeitig mit der Wärmeent- ^! wicklung und mit der chemischen Wirkung durch Elektrolyse ein mechanischer Procefs, welcher die Lösung (Entfernung) der an der Oberfläche der Elektrode befindlichen Körpertheilchen oder der an derselben haftenden : fremden Substanzen herbeiführt.

6. Die Gashülle, welche die Elektrode umgiebt, wird leuchtend, und die Elektrode wird zur Weifsgluth gebracht, wodurch also ein helles Licht in der Flüssigkeit hervorgebracht wird.

Diese verschiedenen Erscheinungen sind von bedeutender Wichtigkeit, und man kann aus denselben für chemische, physikalische und mechanische Arbeiten, sowie für Wärmewirkungen, welchen die Körper ausgesetzt werden können, Nutzen ziehen, und zwar besonders:

A. Wenn es sich darum handelt, diese Körper, besonders Metalle, an einer oder mehreren bestimmten Stellen. ihrer Masse, z. B. behufs Löthens (Fig. 4), Schmiedens, Hämmerns, Walzens oder anderer Arbeiten zu erhitzen.

B. Wenn gewisse metallische oder andere Körper zur Weifsgluth gebracht werden sollen, sowie zur Erzeugung des elektrischen Lichtes.

C. Zum Schmelzen oder Erweichen fester Substanzen, sowie zum Brennen, Giefsen, Modelliren u. s. w.

D. Bei der Härtung von Metallen, Glas u. s. w.

E. Zum Reinigen metallischer Oberflächen durch Entfernung der Körpertheilchen oder der an den Oberflächen haftenden fremden Substanzen.

F. Zur Behandlung von Erzen (Fig. 7 und 8).

G. Zum Schmelzen gewisser Körper, welche so hohe Wärmegrade bedingen, wie man sie bis jetzt für gewerbliche Zwecke nicht erreichen konnte.

Diese verschiedenen Anwendungen des Verfahrens sind nicht begrenzt und nur beispielsweise aufgeführt, da das vorliegende Verfahren alle Arbeitsvorgänge umfafst, bei denen Körper Wärmewirkungen, welche die Erzeugung oder Begünstigung chemischer, physikalischer oder mechanischer Processe veranlassen, vorausgesetzt werden.

Begreiflich ist, dafs die bei den Anwendungen des Verfahrens zur Verwendung kommende Strommenge nothwendiger Weise von der Beschaffenheit und der Grölse der mit der Flüssigkeit in Berührung befindlichen Körper, sowie von der Zusammensetzung dieser Flüssigkeit abhängen mufs; aber dem Wesen nach mufs dieser Strom eine verhältnifsmäfsig grofse elektromotorische Kraft bei einer sehr schwachen Stromstärke haben, und dies bildet einen der wesentlichen und grofsen Vorzüge des Verfahrens.

Obgleich dem Gleichstrom der Vorzug zu geben ist, können jedoch auch Wechselstrom und mehrphasiger Strom zur Verwendung kommen, jedoch treten bei diesen die chemischen Wirkungen der Elektrolyse in anderer Weise auf.

Der Stromschlufs zwischen dem festen Körper und der Flüssigkeit kann auf irgend eine Weise hergestellt werden, so z. B. durch vollständiges oder theilweises Eintauchen des festen Körpers (Fig. 1), durch Berührung der Oberflächen, durch Giefsen oder Spritzen der Flüssigkeit ■— selbst im dampfförmigen Zustand — auf den festen Körper (Fig. 5), selbst durch Einführen des flüssigen Körpers in den festen, aber in allen Fällen mufs der feste Körper, sowie die Flüssigkeit mit je einem Pol der Elektricitätsquelle in Verbindung stehen.

Um bei den verschiedenen Anwendungen der Wärmeentwicklung an einer bestimmten Stelle auf oder in dem festen Körper zu beschränken, kann man die Berührungsfläche mit der Flüssigkeit durch Umhüllung der an diese Stelle grenzenden Theile mit einem geeigneten Isolirmittel begrenzen. Dieser Isolator des festen Körpers kann gleichzeitig den flüssigen Körper einschliefsen, wenn er z. B. aus Glas, Asbest, Thonerde (Fig. 3) oder anderem geeigneten Stoff gebildet wird, und welcher als ein kugel-, wannen- oder löffeiförmiger Behälter die Flüssigkeit in sich schliefst, in welcher die besagte Wirkung vor sich geht.

Alles, was oben betreffs eines festen und eines flüssigen leitenden Körpers unter elektrischem Stromschlufs gesagt wurde, findet ebenfalls seine Anwendung in den Fällen, wo zwei oder mehrere feste Körper mit einer geeigneten Flüssigkeit in Stromschlufs gebracht werden (Fig. 2), aber diese Körper müssen alsdann eine oder mehrere gleichnamige Elektroden bilden. Man kann demnach gleichzeitig bei einem und demselben Arbeitsvorgang mehrere Körper behandeln.

Die zur Anwendung kommende Flüssigkeit kann irgend welcher Beschaffenheit, mufs aber unbedingt ein mehr oder minder guter elektrischer Leiter sein. Die Flüssigkeit kann jede fremden festen oder nicht festen Stoffe im aufgelösten oder unaufgelösten Zustande enthalten und dies vorzüglich zum Zweck, sie den Anforderungen und der Art der betreffenden Anwendungen besonders geeignet zu machen. Die Flüssigkeit kann somit beliebig neutral, 1 oxydirend, reducirend oder in einer Weise zu- \ sammengesetzt sein, die eine bestimmte ehe- : mische Wirkung begünstigt.

Anstatt einer Flüssigkeit können auch feuchte oder angefeuchtete, . feste oder nicht feste Körper zur Anwendung gebracht werden, ebenso Körper, welche fähig sind, eine ge nügende Flüssigkeitsmenge aufzusaugen, als Schwämme, Asbest, feiner Sand, Bimsstein, Mörtel, Kohlenstaub u. s. w.

Mit Hülfe dieser Körper wird es unter Umständen leichter sein, an einer gegebenen Stelle eines festen Körpers einen Stromschlufs herzustellen, als mit einer blofsen Flüssigkeit (Fig. 6).

Es mufs noch bemerkt werden, dafs die der Wärmewirkung des Stromes auszusetzenden Körper indirect beeinflufst werden können, so z. B. durch Heizung der Gefäfse, Hüllen oder

Formen, von welchen diese Körper umgeben sind (Fig. 7 und 9).

Zu den verschiedenen Anwendungen des Verfahrens können selbstverständlich sä'mmtliche im Gebrauch bestehende Verfahren und Vorrichtungen in Verbindung mit dem vorliegenden Verfahren verwendet werden.

Zuletzt sei noch bemerkt, dafs, wenn man, anstatt einen festen Körper mit einer Flüssigkeit in Stromschlufs zu bringen, diesen festen, gut leitenden Körper mit einem anderen festen, minder gut leitenden Körper in Stromschlufs bringt, z. B. ihn vollständig oder zum Theil in ein Erz, wie Pyrolusit, einführt, sich ebenfalls ein mehr oder minder grofser Widerstand zeigen wird, welcher auf die Berührungsfläche beschränkt ist, ebenso wie die durch den Strom erzeugte Wärme auch auf diese Stelle beschränkt wird; in diesem Falle entwickeln in der That diese Körper unter der Einwirkung der Wärme eine hinreichend grofse Gasmenge oder verdampfen eine genügende Menge von Flüssigkeit, um eine Gashülle zu bilden, die je nach der Zusammensetzung der Körper mehr oder weniger stark ausgeprägt ist.

Kurz zusammengefafst, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das angegebene Verfahren und auf die gewerbliche Anwendung der Erscheinungen, welche bei demselben unter den angegebenen Umständen und mit den angegebenen Wirkungen auftreten, wenn nach diesem Verfahren ein fester und ein geeigneter flüssiger, leitender Körper in elektrischen Stromschlufs gebracht werden, zum Zweck, schnell und wirtschaftlich die Erhitzung der Körper auf einen beliebigen, geeignetenfalls auf einen sehr hohen Wärmegrad zu bringen, wobei gleichzeitig die Behandlung in einem je nach der Beschaffenheit der Flüssigkeit neutralen, reducirenden oder oxydirenden Mittel geschehen kann, so dafs eine beliebige chemische Wirkung begünstigt werden kann, welches ebenfalls von einer grofsen praktischen Bedeutung ist.

Beginnt man bei der Anwendung des Verfahrens mit einem Strom, dessen elektromotorische Kraft etwas gröfser ist als die zersetzende elektromotorische Gegenkraft des Elektrolyten, und steigert den Strom allmählich, so treten nach einander folgende Erscheinungen auf:

a) zunächst stellen sich die bei der Elektrolyse gewöhnlich beobachteten Erscheinungen ein;

b) dann scheint die Flüssigkeit um die active Elektrode herum unter Knistern zu kochen, welche Erscheinung immer bestimmter auftritt; zwischen der Elektrode und der Flüssigkeit zeigen sich leuchtende Punkte; die Stromstärke ist ziemlich hoch und schwankt bedeutend;

c) dann nimmt das Kochen ab. Die Anzahl der leuchtenden Punkte wächst so, dafs sich schlieislich eine leuchtende Hülle bildet, welche den ganzen eingetauchten Theil der Elektrode umgiebt. Die Bildung dieser Hülle ist von einem schwachen regelmäfsigen Geräusch begleitet. Die Stromstärke nimmt ab und schwankt nicht mehr, eine weitere Gasentwicklung hört auf, und die Wärmewirkung kommt zur Geltung.

Die Farbe der leuchtenden Hülle hängt sowohl von der Natur des Körpers, welchen sie umgiebt, als auch von der Natur des Elektrolyten ab.

Die Hülle wird durch kleine, bewegliche, leuchtende Kügelchen gebildet, die aus einer Mischung von Wasserstoffgas, aus dem Elektrolyten und Dämpfen bestehen, welche bei der Berührung der activen Elektrode und der Flüssigkeit auftreten.

Eine unmittelbare Berührung zwischen der Elektrode und der Flüssigkeit besteht dann nicht mehr, und da der Strom die Gashülle durchfliefsen mufs, trifft er auf einen Widerstand, der um so gröfser ist, je stärker die Hülle ist, welche wieder um so stärker wird, je höher die elektromotorische Kraft des Stromes ist; die Stärke der Hülle schwankt im allgemeinen zwischen 2 und 5 mm.

An der Berührungsoberfläche zwischen der Elektrode und ihrer Gashülle setzt sich nun die Energie des Stromes in Wärme um, welche so beträchtlich ist, dafs sie alle im Feuer vorzunehmenden Arbeiten zuläfst.

Angenommen, eine Eisenstange von 10 mm Durchmesser würde auf eine Länge von 10 cm in eine Flüssigkeit aus einer Lösung von kohlensaurem Kali getaucht, so dafs also die Berührungsoberfläche mit dieser Flüssigkeit 21,4 qcm ist, wobei die elektromotorische Kraft des Stromes 125 Volt sei. Der eigentliche Widerstand der Stange ist sehr gering, nämlich 0,00013 Ohm, und wird durch den Widerstand der Flüssigkeit und der Leitungen auf etwa 0,05 Ohm erhöht. Man hat somit als

normale Stromstärke —— = 2 ς00 Ampere und 0,05 ^{D y}

einen Strom von 312,500 Watt. Bei der Bildung der Gashülle bis zu dem oben unter c geschilderten Zustand verringert sich die Stromstärke auf 100 Ampere, was durch Versuche gefunden wird. Es bleibt somit ein Strom von 12500 Watt. Der Gesammtwiderstand beträgt sonach

^I25
100

= 1,25 Ohm, der Zusatzwiderstand der Hülle mithin 1,25 — 0,05 = 1,20 Ohm. Hieraus folgt, dafs der eigentliche Widerstand des Eisens 9615 mal gröfser geworden ist. Da wir aber den Leitungswiderstand etwas zu grofs genommen haben, kann

Claims (5)

1. man annehmen, dafs der durch diese Erscheinung geschaffene zusetzliche Widerstand um ungefähr loooo mal gröfser als der normale Widerstand des Gegenstandes geworden ist.

   Wenn man den Gegenstand, statt in einer Länge von ι ο cm, nur ι cm tief in die Flüssigkeit eintaucht, so ist der eigentliche Widerstand des Eisens nur den zehnten Theil so

   grofs, und da auch die Stromstärke nur —

   wird, so folgt daraus, dafs das oben gefundene Verhältnifs sich um das ioo fache vergröfsert; der Widerstand der Hülle ist in diesem Falle somit ι ooo ooo mal so grofs als der normale Widerstand des Gegenstandes.

   Da dieser Widerstand vollständig auf die Berührungsoberfläche des Gegenstandes beschränkt ist, läfst sich leicht auf die starke Erwärmung schliefsen.

   Patenτ-Ansprüche:

   ι . Verfahren, die bei der galvanischen Polarisation von Elektroden unter Anwendung hochgespannter Ströme auftretende Wärmeentwicklung technisch zu verwerthen, darin bestehend, dafs der der Wärmewirkung auszusetzende Körper mit dem einen Pol einer hochgespannten stromliefernden Elektricitätsquelle verbunden und als Elektrode in die Flüssigkeit einer elektrolytischen Zersetzungszelle eingetaucht wird, deren andere Elektrode einen Körper von grofser Oberfläche bildet, um die Wärmeentwicklung nur an dem zu bearbeitenden Körper stattfinden zu lassen.
2. 2. Das im Anspruch i. gekennzeichnete Verfahren dahin abgeändert, dafs der zu er-, hitzende Körper in ein Gefäfs gebracht wird, welches die eine Elektrode bildet, um auch nichtleitende Körper der Wärmewirkung aussetzen zu können.
3. 3. Bei dem in den Ansprüchen 1. und 2 gekennzeichneten Verfahren der Ersatz der leitenden Flüssigkeit in der Zersetzungszelle durch einen mit solcher Flüssigkeit angefeuchteten (hygroskopischen) Körper.
4. 4. Bei dem in den Ansprüchen 1. und 2. gekennzeichneten Verfahren die Füllung der Zersetzungszelle oder die Tränkung des hygroskopischen Körpers mit einer Flüssigkeit, welche derartig beschaffen ist, dafs dieselbe eine oxydirende, reducirende oder sonstige chemische Wirkung auf den erhitzten Körper ausübt.
5. 5. Bei dem in den Ansprüchen 1. und 2. gekennzeichneten Verfahren die Isolirung des zu erhitzenden Körpers an denjenigen Stellen, welche der Wärmewirkung nicht ausgesetzt werden sollen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.