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Kühleinrichtung für Metalldampfgleichrichter mit metallischer Gefäßwandung
Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für Metalldampfgleichrichter mit metallischer
-Gefäßwandung, bei welchen die Anodenarme im wesentlichen außerhalb des eigentlichen
Entladungsgefäßes angeordnet sind. Derartige Entladungsgefäße,deren Anodenarme meist
mit Kühlrippen versehen sind, zeichnen. sich dadurch aus, daß sie verhältnismäßig
rasch ihre Betriebstemperatur annehmen und bei ihrer Inbetriebsetzung keine wesentlichen
Verzögerungen entstehen. Diese .geringe Wärmeträgheit kann aber beim Ausbleiben
des Kühlstromes auch zur unzulässigen Erhöhung der Temperatur des Entladungsgefäßes
führen. Bei der Bemessung der Kühlflächen ist darauf zu achten, daß die Luftzufuhr
ausreicht, um die Stellender Anodenarme, welchen .die größte Wärmemenge zugeführt
wird, auf einer ausreichenden niedrigen Temperatur, z. B. r50 bis 250a, zu halten.
Das hat zur Folge, daß andere Stellen der Anodenarme eine wesentlich tiefere Temperatur
annehmen und so eine ungleichmäß.ige Temperaturverteilung längs der Anodenarme entsteht.
Diese ungleichmäßige Temperaturverteilung zeigt, daß nicht alle Stellen der zur
Wärmeabfuhr dienenden Flächen im gleichen Maße an der Wärmeabfuhr beteiligt sind,
woraus sich ergibt, daß die Kühlfläche nicht voll ausgenutzt ist. Sie kann ferner
auch hinsichtlich .der Druckverteilung des Metalldampfes nachteilig sein. Die aufgezeigten
Mängel könneri vermieden wenden, wenn man gemäß ider Erfindung zwischen -die zu
,kühlenden metallischen Wandung-steile, insbesondere die Anodenarme, welchen ein
über die Oberfläche ungleich verteilter Wärmestrom zufließt, und einen die Wandun,gsteile
umgebenden Kühlmantel mit in der Längsrichtung der zu kühlendenTeile (Anodenarme)
gutem Wärme-Übertragungsvermögen derart einen Wärmewiderstand
zwischenschaltet,
dalä eine ganz oder annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung längs der zu kühlenden
Flächen eintritt.
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Metall:dampfentladungsgefäße mit metallischer Gefäl3«-andutlg, bei
denen zwischen den zli kühlenden metallischen Wandungsteilen, und einem :die Wandungsteile
umgebenden Kühlmantel Wä rinewiderstände vorgesehen sind. sind bereits bekannt.
Bei .den bekannten Anordnungen wird aber durch die Anordnung der Wärmewiderstände
erzielt, daß siel. Teile des Entla:lungsgefäßes, z. B. der Entladungsratim in der
Nachtbarschaft der Anoden, während es Betriebes auf erhöhte.- Temperatur befinden..
Demgegenüber wird durch den erfinciungsgein:iß vorgesehenen Warmewiderstand eine
Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung längs der zu kühlenden Flächen erzielt.
Bei einer erfindungsgemäßen Konstruktion hat man es durch Wahl der Wärmeleitfähigkeit
des Wärmewiderstandes in der Hand, eine für den Betrieb des Entladuilgsgefäßes günstige
gleichmäßige Temperatur inI Anodenrauen, z. B. i80 bis 200'. aufrechtzuerhalten,
unabhängig von der Art und Temperatur des Kühlmittels, welches zur Wärmeabfuhr von
den Anodenarenen dient. Steht ein Kühlmittel zur Verfüguilg, das eine verhältnismäßig
hohe Temperatur oder geringe ärmekapazitä t besitzt, so wird plan dem @Vä rinewiderstand
eine verhältnis-11, . holte Wä rineleitfähigkeit geben und 1 äßin
damit die betriebsmäßig auftretende Temperaturdifferenz zwischen Anodenzclinder
und den wärmeabgebenden Flächen verhältnisn ißi halten. Steht dagegen zur iä
- klein Külilanl; ein Kü'hlinittel geringer Temperatur lind hoher -Wä rinekapazität
zur Verfügung, so wird man durch geringere Wärineleitfä higI:e ;t des Wärmewiderstandes
für eine größere `@'äriliediffereliz sorgen. Bei der Verwendung von Kühlmitteln
((J1 oder Wasser). welche iili Kreislauf durch einen besonderen Rückkühler geführt
werden, ist dabei noch der Gesichtspunkt maßgebend, daß die Abmessungen des Rückkühlers
um so kleiner werden, je höher die Betriebstemperatur des Kühlmittels ist. -Man
wird die Verhältnisse z. B. so wählen, daß die Betriebstemperaturen des Anodenrolires.z%cisclien
etwa i8oun:d2oo`' liegen, während die mittlere Temperatur des Kiililmittels bei
etwa 8o bis ioo° liegt und sich zwischen Zu- und Aallauf nur um io bis 2o° unterscheidet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den A,bbilciungen dargestellt.
Darin sind alle für die Erfindung nicht unmittelbar wesentlichen Konstruktionsteile,
z. B. Anodenschirine, Steuergitter, DurchfÜhrungsisolatoren, weggelassen. Die übereinstimmen-
| den Teile der einzelnen Figuren sind mit den |
| gleichen Bezugszeichen versehen. |
| Mit i ist das Entladungsgefäß bezeichnet, |
| «-elches eine Vielzahl von Anodenarmen |
| t ägt, die mit 2 bezeichnet sind. Die #iiii |
| r# 21 i t 3 |
| bezeichneten Anoden sind gestrichelt ein- |
| gezeichnet. .1 ist der jede Anode uingellen:cle |
| Kühlmantel, der finit Ausnahme des Aus- |
| führungsbeisp-ieles nach Abb.2 als flüssig- |
| keitsgefüllter ringförmiger Hohlkörper dar- |
| gestellt ist. Zwischen delle Anodenrohr 2 und |
| dein-Kühlmantel befindet sich ein Wärme- |
| widerstand zur 'Vergleich lnä ßigung der |
| Temperaturverteilung längs der zu kühlenden |
| Flächen, beispielsweise in Form des Luft- |
| spaltes 5. der gegebenenfalls auch finit eilieni |
| wärmeisolierenden Material ausgefüllt sein |
| kann. Der Kühlmantel wird durch geeignete |
| Zwischenlagen am Anodenrohre lwfestigt. |
| Beim Ausführungsbeispiel nach Ah,b. i ist |
| angenommen, -daß Luft als Kühlmittel be- |
| nutzt wird, welche in Richtung der ein- |
| gezeichneten Pfeile das Entladungsgefäß uni- |
| spült und deren Strömung durch ein Ge- |
| bläse gefördert werden kann. Es empfiehlt |
| sich, die Oberfläche des Kühlmantels noch |
| durch aufgesetzte Rippen zu vergrößern, die |
| in Abb. i mit 6 bezeichnet sind. Der Kühl- |
| mantel d. besitzt -ein gutes Wärineüller- |
| tragungscermögen in Richtung der Längs- |
| achse des Anodenrohres, welches ini wesent- |
| lichen auf der im Innern des Kühlmantels |
| entstellenden Flüssigleritsströinung- in Rich- |
| tung eler eingezeichneten Pfeile beruht. Für |
| diese Flüssigkeitsströmung erhalten die |
| .- gebenden Flächen praktisch an allen |
| w ärineab, 1 |
| 1='unkten die gleiche Temperatur, die für die |
| Wärmeabgabe in Rechnung zu stellen ist. |
| Außerdem wird von den Stellen des Anoden- |
| rohres, welchen betriebsmäßig die größte |
| Wäl'II.elIteIlge 7i1getllhrt wird, auch die |
| Wiirine -tvegen des guten Wärineleitvermögens |
| des Kühlmantels rasch abgeführt. Es wird |
| sich deshalb eine wesentlich gleichmäßigere |
| Tenlperaturverteilung im Anodenrohr ein- |
| stellen als bei einer reinen Luftkühlung. |
| welche unmittelbar auf den Anodenaren oac'r |
| die Rippen des Anodenarmes einwirkt. Zur |
| weiteren Vergleichmäßigung der Temperatur |
| macht Ulan die Warlneleltfldilgkelt des zwi- |
| scllen Anodenrohr und Küihlillantel liegenden |
| Wärmewiderstandes in der Längsrichtung |
| des Anodenrohres veränderlich, etwa in der |
| Weise, daß man an den Stellen, an welchen |
| man eine bessere Kühlung wünscht, die |
| Wärmeleitfähigkeit des Wärmewiderstandes |
| erhöht. llan kann an dieser Stelle den,Rauin |
| zwischen Kühlanantel und Anodenrohr bei- |
| spielsweise finit einem Material ausfüllen, |
| welches die Wärme besser ableitet als an den |
| übrigen Stellen des Anodenrohres. Ein Aus- |
führungsbeispiel dieser Art ist in Abb. 2 dargestellt. Der Kühlmantel
ist hier nicht flüssigkeitsgefüllt, sondern besteht aus einem Metall:körper, dem
durch ausreichende Querschnitte eine gute Wärmeleitfähigkeit in :der Längsrichtung
des Anodenrohres erteilt ist. Man kann beispielsweise zu diesem Z-,veclc einen Körper
aus Aluaninium verwenden, der mit Rippen 7 versehen ist. Diese Rippen können gleichzeitig
als Leitflächen für ,den Kühlluftstrcimdienen und diesen Kühlluftstrom am Mantel
des Entladungsgefäßes i entlang führen. Unieine gleichmäßige Temperaturverteilung
längs des Anodenrohres herbeizuführen, wird der schraffierten und mit 8 bezeichneten
Zone ein größeres Wärmeiibertragungsvermögen erteilt als den übrigen "Zonen, sei
es dadurch, daß man diese Zonen mit einem besser wärmeleitfähigen Material ausfüllt
als die anderen Zonen oder das Wärme-Übertragungsvermögen der benachbarten Zonen
durch Einführen geeigneter Stoffe, z. B. Glaswolle, verschlechtert. Die Wärmeleitfähigkeit
läßt sich natürlich auch durch geeignete Bemessung der Dicke der wärmeleitenden
Schicht verändern, und man hat es durch geeignete Bemessung der Schichtdicke des
zwischen Anadenrohr und Kühlmantel liegenden Mediums in der Hand, die gewünschte
Verteilung der Wärmeleitfähigkeit einzustellen. Man kann das Wärmeübertragungsvermögen
auch durch Beeinflussung des Stralilu.ngsvermögens der einander gegenüberstehenden
Flächen, z. B. Aufrauhen, Schwärzen und ähnliche bekannte Methoden, beeinflussen.
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Es treten in der Praxis Fälle auf, welche -es wünschenswerterscheinen
lassen, die Luftl,iililung durch eine Flüssigkeitskühlung zu ersetzen, sei es, daß
sich der Luftführung Schwierigkeiten entgegensetzen, sei es, daß man für bereits
vorhandene Gleichrichter bereits ein ausreichend bemessenes Flüssigkeits k,ühlsystein
besitzt und mit zur Kühlung des Gleicliricliters heranziehen möchte. Auch zur Steigerung
-der Belastungsfähigkeit kann die Verstärkung der Kühlung zweckmäßig sein. In solchen
Fällen kann man, wie in Ab.b. 3 dargestellt ist, das Kühlmantelgefäß (Abb. i ) an
einen Kühlmittelumlaufanschl-iehen. Zu diesem Zweck empfiehlt es sich, sämtliche
vorhandenenAtiodenkühlmäntel an zwei Ringleitungen g und io anzuschließen, welche
über den schematisch dargestellten RückkÜhler i i miteinander verbunden sind. Das
Kühlni:ittel, z. B. Öl oder Wasser, läuft in Richtung der eingezeichneten Pfeile,
sei es unter dein Ein:fluß .einer Pumpe oder infolge des Unterschiedes des spezifischen
Gewichtes zwischen dem warmen und,dem kalten Kühlmittel. Im letzteren Falle wird
man den Kühler an einem möglichst hoch liegenden Ort aufstellen und die Verbindungsleitung
zu diesem Kühler, in welcher das warme Kühlmittel aufsteigt, mit einer Wärmeisolation
versehen. Man erhält auf diese Weise einen möglichst großen den Flüssigkeitsumlauf
fördernden Druckunterschied. Um die Abrness:ungen des Kühlers i i möglichst klein
halten zu können, wird man. versuchen, finit hclien Kühlmitteltemperaturen zu arbeiten,
und man wird den Wärmewiderstand 5 so bemessen, daß eine mittlere Kühlmitteltemperatur
von etwa 8o bis ioo° für Wasser bzw. Öl ausreicht, um im Anodenarm eine Temperatur
von etwa i8o bis 20o° aufrechtzuerhalten. Es wird auch bei der Einrichtung nach
Abb. 3 im Sinne der Abb. :2 das Wärmeleitvermö:gen des Wärmewiderstandes in der
Längsrichtung des Anodenrolires veränderlich gemacht.
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Man kann bei Gleichrichtern der gleichen Bauform auch wahlweise einen
Isülilmantel nach A!bb. 1, 2 oder 3 verwenden; denn es ist möglich, durch -die Bemessung
der Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht bei gleicher Temperatur im Anodenrohr
dafür zu sorgen, daß die entwickelte Wärme entweder mit einem mit Kühlrippen versehenen
Kühlmantel oder durch Flüssigkeitsumlauf abgeführt wird. Gegebenenfalls kann man
auch einen für Flüssigkeitsumlauf eingerichteten Kühlinantel mit Rippen gemäß Abib.
i ausrüsten und auf diese Weise :die beiden Kühlarten kombinieren. Ein Unterschied
zwischen den Alb. i und ? und der Abb. 3 besteht noch insofiern, als bei den Beispielen
nach Ab]). i und 2 das Wärmeübertragungsvermögen .des Kühlmantels in der Längsrichtung
:des Anodenrohres wesentlich vom Querschnitt des Flüssigkeitsraumes oder der `Vandstärke
des Kühlmantels (Aibb. 2 ) abhängt. Dagegen kann man beim Ausführungsbeispiel nach
Abb..3 auch bei geringeren Querschnitten durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit
das Wärmeübertragungs-ermögen auf das gewünschte Maß steigern.
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Es wurde -eingangs bereits darauf hingewiesen, daß es für die Inbetriebsetzung
des Gleic'hric'hters wesentlich ist, daß die Wärineträglieit möglichst ;klein ist.
Dieser Forderung werden die Konstruktionen gemäß der Erfindung gerecht, denn die
den Anodenraum unmittelbar umgebenden Massen können rasch bis nahe an ihre Betriebstemperatur
erhitzt -.erden, weil der sie umgebende `'4 ärinewiderstan@d eine zu rasche Wärmeabfuhr
verhindert und eine verhältnismäßig hohe Temperaturdifferenz zwischen Entladungsraum
und Umgebung festlegt. Man kann nie Zeit, die zur Inbetriebsetzung notwendig- ist,
noch dadurch verkürzen, daß man
zwischen Kühlmantel und Anodenrohr
eine Heizwicklung einfügt.
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Ein Ausführungsbeispiel -dieser Art, bei dem die elektrische Isolation
der Heizwicklung gleichzeitig den Wärmewiderstan,i bildet, ist in Abb. d. dargestellt.
Die Heizwicklung besteht aus dein ZViderstandshan:-1 12, welches um den Anodenarm
genwunden ist. Es ist beispielsweise von Asbest umgeben, der gleichzeitig einen
Wärmewiderstand darstellt. Beim Ausführungsibeispiel nach Abb..I ist das Band um
den Anodenarm gewunden. Bei dieser Ausführungsform läßt sich nicht vermeiden, daß
wegen der gering Länge des dem Entladu.ngsgefä ß zugewandten Anodenrohrteiles an
dieser Stelle eine höhere Temperatur entsteht. :Ulan erhält eine gleichmäßigere
Temperaturverteilung, wenn man die Heizwicklung zickzackförinig ausbildet und die
Drähte in die Längsrichtung des Anodenrohres legt. -Man kann die. Heizwicklung mit
einer automatisch wirkenden Heizvorrichtung versehen, welche die Heizwicklung ein-
oder ausschaltet, sobald ,die Kühl.mitteltemperatur einen bestimmten Wert überschreitet
oder unter diesen Wert absinkt. Auf diese Weise ist es möglich, den Gleichrichter
auch zur Übernahme großer Lastspitzen dauernd bereit zu halten. Man kann mit einer
derartigen Einrichtung auch eine Regeleinrichtung kombinieren, welche den Kühlinittelumlauf
in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur regelt und bestrebt ist, eine konstante
Kühlmitteltemperatur aufrechtzuerhalten.
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Im Vorangehenden wurde die Anwendung der Erfindung für die Anodenarme
eines Gleichrichters beschrieben. Man kann die zur Vergleichmäßigung der Temperatur'
längs des Anodenarmes angegebenen Mittel aber auch benutzen, um die Temperatur der
Gefäßwandung zu vergleichmäßigen und trotz der Anwendung einer Wasserkühlung die
Wärmeträgheit des Gefäßes zu `vermindern. In dieseln Falle bat man sich die Wandungen
des Anodenarilles durch die Wandungen des Gefäßes ersetzt zu denken. Es .gelten
im übrigen sinngemäß -die bereits weiter oben hinsichtlich der Auod;narine gemachten
Angaben.
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Es ist .im allgeineilien erforderlich, die Kathode von Dam,pfentladtingägefäßen
auf ziemlich tiefer Temperatur zu halten, so daß man zur Kühlung der Kathode ein
Kühlmittel benötigt, dessen Temperatur nicht wesentlich über 25"i C ansteigt. Da
man bei Rückkühlanlagen das erwärmte Kühlmittel -kaum, und zwar wegen der Anlagekosten,
auf eine so tiefe Temperatur herabkühlen kann, so setzt man meist dein Kühlmittel
Frischwasser zu, um die für die Kathodenkühlung gewünschte ' tiefe Temperatur zu
erhalten. Es wäre deshalb unwirtschaftlich, das Kühlmittel tiefer Temperatur auch
zur Kühlung der Anodenarme zu verwenden. Man kann, um diese Schwierigkeiten zu umgehen,
zwei Wege beschreiten. Der eine besteht darin, daß man zwei Kühlmittelumläufevorsieht,
von welchen der eine zur Kühlung der Anodenarme dient, während der andere zur Kühlung
der Kathode und des eigentlichen Entladungsgefäßes benutzt wird. Der zweite Weg
besteht darin, daß man das Kühlmittel zunächst der Kathode, dann dein eigentlichen
Entladungsgefäß und schließlich den Anodenarmen zuführt. Man wird auch in diesem
Falle nicht ohne Frischwasserzusatz auskommen, erzielt aber den Vorteil, daß man
das Kühlmittel in einem weiten Temperaturbereich ausnutzen kann.
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Ausführungsbeispiele für die beiden zuletzt erwähnten Fälle sind in
.den Abb. 5 und 6 dargestellt. Diese Abbildungen zeigen jeweils mir einen Gleichrichter.
Die hier angegebene Kühlmittelführung kann aber nicht nur für einen Gleichrichter,
sondern für eine aus mehreren Gleichric'htereinheiten teestehende Anlage benutzt
werden. Bei der Anlage nach Abb. 5 ist ein getrennter Kühlinittelumlauf vorgesehen.
Der erste Kühlmitteltimlauf ist mit rd., der zweite mit 15
bezeichnet. Der
Umlauf 1q. umfaßt nur die Anodenkühlmäntel des .dargestellten Gleichrichtergefäßes
und die Anodenkühlmäntel der gegebenenfalls noch vorhandenen weiteren Gefäße. Der
A.nschluß dieser Gefäße ist durch die schematisch dargestellten Rohrleitungen 16
angedeutet. Die Kathode und der Innenkühler 17 sind an den Kühlmittelumlauf 1s angeschlossen,
in welchen ein Rückkühler 20 eingeschaltet' ist. Durch die Rohrleitung 18 kann Frischwasser
zugeführt werden. Der Wasserüberschuß wird bei l9 wieder abgeleitet. Auch an diesen
Kühlmitteluinlauf können weitere Entladungsgefäße angeschlossen werden. Das Kühlmittel
durchfließt zunächst den Kathoden kühlmantel 2r. dann den Innenkühler 17 und wird
dem Rückkühler 2o wieder zugeführt. Parallel oder in Reihe zu dem Innenkühler
17 kann auch ein .das Gefäß umgebender Kühlmantel 22 or-ier eine am Gefäß
befestigte Kühlschlange angeschlossen sein. Zwischen den Kühlmantel 22 und der Wandung
des Entladungsgefäßes ist ein Wärmewilderstand 24 eingeschaltet, der. die gleichen
Funktionen erfüllt wie der W:irntewi der stand 5 an den Anodenarmen.
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Sowohl der Kühlinittelumlauf 14 als auch der Kühlmittelumlauf 1s kann
durch die Unterschiededes spezifischen Gewichtes zwischen dem kalten und,dem warmen
Kühlmittel aufrechterhalten werden. Man kann das Kühlmittel
aber
auch mit Hilfe von Pumpen oder beim Zusatz von Frischwasser durch Injektorwirkung
in Bewegung versetzen.
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Bei der Anlage nach Abb. 6 ist nur ein Kühlmittelumlauf vorgesehen,
und zwar durchfließt hier das Kühlmittel zunächst den Kathodenkühl@mantel 21, dann
den Innenkühler 17, den Außenkühler (Kühlmantel oder Kühlschlange) 22, dann :die
Anodenkühlmäntel 4 und schließlich den. Rückkühler i i. Bei 18 kann Frischwasser
zugeführt werden. 23 ist eine Pumpe, welche den Kühlmittelumlauf fördert. An die
Rohrleitungen 16 können in Parallelschaltung weitere Entladungsgefäße .angeschlossen
sein.
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Es wurde bisher nichts über die spezielle Art :des Entl:adungsigefäßes
ausgesagt. Die beschriebenen Kühlmethoden und Kühlanordnungen können in erster Linie
bei Ouecksilberdampfentladungsgefäßen mit oder ohne Steuergitter angewendet werden.
Sie sind alber auch bei Entladungsgefäßen anwendbare bei welchen das Entladungsgefäß
zeitweise oder dauernd mit Gasen, insbesondere Edelgasen, gefüllt ist.