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Verfahren und Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen zwei Körpern
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Wärmeaustausch und insbesondere
die Verwendung eines elektrostatischen Feldes zur schnelleren Erwiirniung oder Abkühlung
von Flüssigkeiten oder zur Vergrößerung der Wiirmemenge, die auf ein oder von einem
Fluidum unter gegebenen Bed,in:gungen übertragbar ist.
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Es wurde gefunden, daß .durch die Verwendung eines elektrostatischen
Feldes, welches durch an eine Gleichätromhochspannungsquelle angeschlossene Elektroden
erzeugt wird, die Schnelligkeit des Wärnieübergan.ges von einem festen Körper auf
ein Fluidum oder von einem Fluidum auf einen festen Körper oder von einem Fluidum
auf ein anderes Fluidum merklich gesteigert und daß die unter gegebenen. Bedingungen,
von dem einem auf den anderen Körper übertragbare Wärmemenge erhöht werden kann.
Weiterhin wurde gefunden, daß durch eine zweckmäßigeBenutzung undAnwendung eines
solchen elektrostatischen Feldes die Wärmemenge, die auf oder von einem festem Körper
oder ein Fluidum unter gegebenen Umständen übertragen werden kann, wesentlich erhöht
werden kann. Tnfolgedessen können Verfahren und Vorrichtungen, bei denen. ein Wärmeaustausch
vorkommt, vereinfacht und in ihrer Leistung oder ihrem Wirkungsgrad: merklich verbessert
werden. Darüber hinaus können überall dort, wo eine Wärmeableitung oder eine Wärmeübertragung
von einem Fluidum oder einem festen Körper auf ein Fluidum oder einen festen Körper
gewünscht wird, beispielsweise um einen hohen Arbeitswirkungsgrad zu erlangen oder
aufrechtzuerhalten, etwa bei der Arbeit von Motoren, Transformatoren oder Funkanlagen
durch die Anwendung der Erfindung merklich verbesserte Ergebnisse erzielt werden.
Bei
der Erhitzung eines Fluidums, wie Öl, Wasser oder anderen Flüssigkeiten, b:zw. Luft
und anderen Gasen, und bei der Kühlung dieser Stoffe ist bei dien üblichen Methoden,
welche die direkte Wärmeübertragung von einer heizenden Fläche oder durch ein beliebigeg
Medium umfassen, sowohl die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung als auch die gesamte
von den benutzten Heizmitteln zur Verfügung stehende Wärme ziemlich wichtig, und
bei vielen industriellen Wärmeaustauschern haben diese Faktoren einen begrenzenden
Einfluß. In manchen Fällen haben diese Faktoren es notwendig gemacht, den gesamten
Geräteaurfwand, der zur Durchführung einer bestimmten Arbeit erforderlich ist, zu
vergrößern, und sie haben dazu gezwungen, die Leistungsfähigkeit einer solchen Anlage
ganz erheblic'h zu beschränken. Dies ist insbesondere der Fall bei der Erhitzung
oder Kühlung solcher Flüssigkeiten, z. B. Öl, die, keine guten Wärmeleiter sind.
Weitenhin ist dies der Fall, wo Einsatzverfahren zur Erhitzung von Flüssigkeiten
oder festen Körpern benutzt werden, die in einer Flüssigkeit suspendiert oder emulgiert
sind. Oft ist es notwendig, ausgedehnte Wärmekreisläufe oder teure Rührer in solchen
Anlagen zu verwendien, so daß die Produktionskosten wes-entlich-erhöht werden.
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Bei vielen verschiedenen industriellen Einrichtungen ist das Problem,
Teile oder die gesamte Apparatur auf einer geeigneten Arbeitstemperatur zu erhalten,
außerordentlich wichtig. Falls nicht die richtige Temperatur eingehalten wird, so
sinkt der Wirkungsgrad. Bleispielsweise müssen Elektromotoren, Transformatoren und
Generatoren gekühlt werden, um ein . Überhitzen sawie entsprechende Wirkungsgrardverluste
zu vermeiden,. Auch in Funkanlagen ist es erwünscht, die Anoden der Vakuumröhren
zu kühlen, um bessere Ergebnisse zu erhalten. Gasturbinen und Verbrennungskraftmascih,inen
müssen ebenfalls gekühlt werden, um eine allgemeine oder örtliche Überhitzung im
Betriebe zu verhindern. Es wurde nun festgestellt, daß bei der Verwendung eines
elektrostatischen Feldes mit Gleichstromhochspannung in :dier weiter unten genauer
beschriebenlen Weise in Verb:in :dung mit Wärmeaustausthgeräten die Kühlung solcher
Vorrichtungen derart geleitet werden kann, daß die richtigenArbeitstemperaturen
und damit günstigere Wirkungsgrade beibehalten werden. Insbesondere kann z. B. bei
elektrischen Motoren eine ausreichende Kühlung durch den Erfindungsgegenstand zur
Erzielung höherer Leistungsbemessungen für Motoren jeder gegebenen Größe und Charakteristik
erhalten werden.
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Bei anderen industriellen Verfahren und Einrichtungen, wie z. &.
bei Öfen und anderen Apparaten zum Glühen, Normalisieren oder sonstigem Wärmebehandeln
von Stählen und anderen Metallen sowie bei Vorrichtungen zum Erhitzen oder Kühlen
plastischer Kunststoffe oder anderer Werkstoffe, bei denen es notwendig ist, einem
festen oder flüssigen Körper Wärme zuzuführen oder zu entnehmen-, kann die Erfindung
mit dem Ergebnis benutzt werden, da. das Erwärmen oder Kühlen mit besserem Wirkungsgrad
und Nutzeffekt durchgeführt werden kann,.
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Unter Berücksichtigung -der Beschränkungen, die durch eine niedrige
Wärmeübertragung verschiedenen industriellen Verfahren und Vorrichtungen auferlegt
sind, die mit einem Wärmeaustausch zwischen Fluida oder zwischen einem Fluidum und
einem festen Körper oder zwischen festen Körpern arbeiten, hat man sich bereits
bemüht, die Wärmeaustauschgeschwindigkeit und die gesamte Wärmeübertragung zu erhöhen,
und :es wurden hierzu zahlreiche Hilfsmittel; benutzt. Hierbei folgte man bisher
mehr oder weniger den üblichen Arbeitsmethoden. Demgegenüber beschreitet die vorliegende
Erfindung einen grundsätzlich neuen Weg zur Behandlung .des Problems der Wärmeübertragung.
Durch die Erfindung wird eine induzierte Elektrobewegung innerhalb des Fluidums
hervorgerufen, die eines der Elemente des Wärmeaustauschsystems bildet.
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Gemäß der Erfindung wird in dem Wärmeaustauschsystem einem Fluidum
ein elektrostatisches Feld aufgedrückt, während die Flüssigkeit erhitzt oder gekühlt
wird. Das Fluidum kann das zu erhitzende oder zu kühlende Medium sein, oder es kann
auch nur das Übertragungsmittel zur Bewirkung eines Wärmeaustausches zwischen zwei
oder mehr festen Körpern oder zwischen einem festen Körper und! einem anderen Fluidum
darstellen.
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Durch Anwendung eines elektrostatischen Feldes auf das Fluidum während
des Erhitzers oder Kühlers oder während der Benutzung als übertragendes Medium wird
eine dauernde Bewegung geladener Teilchen (Moleküle oder Atome) von einer Oberfläche
mit der einen Polarität durch das Fluidum zu einer Oberfläche mit der entgeh ngesetzten
Polarität hervorgerufen. Ein gleichgerichteter Strom, vorzugsweise normaler Gleichstrom,
von hoher Spannung wird zur Erzeugung des elektrostatischen Feldes zwischen zweckmäßig
angeordneten Elektroden benutzt. Bei einigen Anwendungen dier Erfindung können die
eine oder beide Elektroden besondere Teile des Apparates sein; in den meisten Fällen
wird jedoch die eine der voneinander entfernt angeordneten Elektroden (oder beide),
welche zur Erzeugung des gleichgerichteten elektrostatischen Feldes dient, einen
Teil (oder Teile) des zum Heizen, Kühlen, Tragen, Leiten oder Übertragen des Fluidums
benutzten Apparates bilden.
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Bei der Verwendung eines gleichberichteten hohen Potentials werden
die Teilchen (Moleküle oder Atome) zwischen den Elektroden bewegt. Dies schafft
rieht nur einen schnelleren und größeren Wärmeaustausch, sondern bewirkt außerdem
eine schnellere Ahgleichung der Temperatur innerhalb des Fluiedums selber.
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Unter Berücksichtigung dieser Aufladung der Fluidumteilchen und der
sich ergebenden Elektrobewegung zwischen: den Elektroden kann die. Erfindung mit
Vorteil benutzt werden, wenn heiße und kalte Fluida oder Fluida gleicher Temperatur
gemischt werden sollen. Das Verfahren kann auß-erdem
bei der Herstellung
von Emulsionen, Lösungen oder Suspensionen von Flüssigkeiten oder Feststoffen benutzt
werden.
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Bei der Anwendung der Erfindung auf die Erwärmung eines &elektrischen
Fluidums, wie Öl, Luft, verschiedenen Gasen, Kerosin, Alkohol, Harzen und flüssigen
plastischen Stoffen, die durch eine Kammer fließen, beispielsweise ein Rohr, kann
das elektrostatische Feld in der Weise angelegt «-erden, daß der wärmende Teil,
der z. B, eine geheizt;' Fläche oder ein geheizter Draht sein kann, eine der Elektroden
bildet, während die andere Elektrode in hezug auf das Fluidum derart angeordnet
ist, daß das elektrostatische Feld das Fluidum selbst durchsetzt. In. der gleichen
Weise kann beim Kühlen eures solchen Fluidums die Oberfläche oder der Körper, an.
den das Fluidum seine Wärme abgeben soll, eine der Elektroden sein, während die
andere Elektrode in bezug auf das Fluidum in der Weise angeordnet wird, daß das
elektrostatische Feld das Fluidum durchsetzt und den Teilchen usw, eine sogenannte
@lelarobew egung erteilt. Es wurde jedoch gefunden, daßeine Erhöhung der Geschwindigkeit
der Erwärmung oder Abkühlung eines Fluidums durch diese elektrostatischen Mittel
auch erreicht werden kann, wenn der heizende oder kühlende Körper oder die heizende
oder 1ti'thl-ende Fläche nicht als eine der Elektroden für die Herstellung des elektrostatisc
ren Feldes benutzt wird.. Wenn heispielsweise ein Fluidum durch die Berührung niit
einem geheizten Körper oder einer geheizten Fläche erwärmt wird, können: die Elektrodez
innerhalb des Fluidums und die heizenden oder kühlenden Mittel derart zwischen den
Elektroden angeordnet werden, daß die den Teilchen erteilte Elektrobewegung diese
Teilchen (Moleküle oder Atom) von der einen Elektrode, zur anderen schickt, wobei
sie während dieser Bewegung in, Berührung mit oder doch in die, enge Nachbarschaft
dvr heizenden oder kühlenden Mittel gelangen. Die pesten Ergebnisse werden jedoch
.erzielt, wenn die heizende oder kühlende Fläche oder das heizende oder kühlende
Element eine der Elektroden zur Herstellung des elektrostatischen Feldes darstellt.
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Zur Erläuterung der Erfindung möge die Erliitziing von Ölen herangezogen
werden, wenn diese durch g: eign@°te Leitungen strömen. Ein Widerstandsdraht, der
sich in Längsrichtung durch das die Flüssigkeit führende Rohr erstreckt, kann zur
Erhitzung der Flüssigkeit bei der Bewegung durch dasRohr benutzt werden. DieserDraht
kann ein üblicher Chrom-.Nickel-Widerstandsdraht (Nichrom) sein und wird z. B. an
eine Wechselstromquelle zur Erzeugung von Wärme angeschlossen. Wenn die Leitung
(oder das Rohr) aus Metall oder aus einem anderen elektrisch 1,eitendenStoff gesteht,
kann man sie als eine der Elektroden und den zur Zuführung der Wärine an die Flüssigkeit
geheizten Draht als die andere Elektrode benutzen. Ist jedoch die Leitung oder das
Rohr verhältnismäßig nichtleitend, so kann der Widerstandsdraht auch weiterhin als
die eine Elektrode benutzt werden, und es wird dann an der inneren 013"rfläcli-e
des Rollres cd-er der Leitung eine MetalIelektrode als andere Elektrode angewandt.
Wenn das Öl oder ein anderes Fluidum durch das Rohr hindurchgeht, wird es durch
den Widerstand geheizt.
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Wenn das elektrostatische Feld in der eben erwähnten Weise erzeugt
wird, so wird die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung vom Heizer auf das Fluidum
merklich ,erhöht, und zwar beträgt diese Erhöhung in vielen Fällen sogar iioo °/o.
Darüber hinaus wird das. Öl oder ein anderes Fluidun i infolge der dem Fluidum durch
das elektrostatische Feld. erteilten Elektrobewegung gleichmäßiger erhitzt. Bei
anderen Vorrichtungen, die schematisch im folgenden beschrieben und dargestellt
werden, erhält man ähnliche Erhöhungen der Wärm@eüb@ertraguirgsgescliwindiglceit.
Zusätzlich wurde eine Steigerung von etwa .jo bis So °/o für die Gesamtmenge der
übertragenden Wärme erzielt.
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Wenn es auch, wie angegeben wurde, nicht notwendig ist, d.aß der das
Heizelement bildende Widerstan.dsdräht als eine der Elektroden benutzt wird, so
wurde doch festgestellt, d:aß es wünscbbenswert ist, ihn. immer dort als eine Elektrode
zu verwenden, wo dies möglich ist, da in diesem Fall eine größere Steigerung der
Wärmeübertragung erhalten werden kann, als wernn besonders getrennte Elektroden
benutzt werden, die keinen Teil des normalen Wärmeaustausch,sy stems bilden. Dariiber
hinaus kann weben der ganz erheblichen Steigerung der Wärmeübertragung vom Heizelement
dem Widerstandsheizelement eine merklich größere Strommenge zugeführt werden. Mit
anderen Worten, die Stromaufna'hmefähigkeit eines gegebenen Heizelements wird als
Ergebnis der gesteigerten Wärmeaustauschgeschwindigkeit merklich erhöht.
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Durch die Anwendung der Erfindung wird sowohl die Wärm-eiibertragungsgeschwindigkeit
als auch die Wärmemenge, die von ,einer Oberfläche bei gegebener Temperatur abgegeben
«-erden kann, erhöht. Mit anderen, Worten, bei der Verwendung eines elektrostatischen
Feldes kann sowohl die übertragbare Wärmemenge als auch die Geschwindigkeit der
Übertragung von einer Oberfläche mit gegebener Temperatur gesteigert werden. Dies
ermöglicht, Apparate verschiedener Art bei niedrigeren Temperaturen zu Betreihen,
ohne in irgendeiner Weise die übertragende Wärme zu beeinträchtigen. Ein weiterer
sieh aus der Erfindung ergebender Vorteil besteht darin, daß . die übertragene Wärmvemenge
einfach durch Änderung d:er angelegten Spannungen :gesteuert oder reguliert werden
kann.
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Wenn auch die Erfindung insbesondere bei solchen Verfahren, bei denen
eine Wärmeübertragung benutzt wird, angewandt «-erden kann, so ergibt sich doch
bereits aus den: vorstehenden Ausführungen, daß sie nicht auf solche Verfahren beschränkt
ist, sondern daß sie überall dort ],,nutzt werden kann, wo die Gleichmäßigkeit der
Temperatur in einem Fluidum oder die Mischung eines solchen gewünscht wird. Die
Anwendung eines gleic'hgericliteten Hochspannungspotentials auf ein Fluidum
bewegt
die der einen Elektrode benächb@ärteü Teilchen zu einem Punkt in der Nähe der anderen
Elektrode, und diese kontinuierliche Bewegung der -geladenen Teilchen mischt das
Flu.dium gründlich.
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Wenn auch die besondere Erläuterung der Erfindung nach den vorstehenden
Ausführungen sich auf die Erwärmung bezieht, so ist die Erfindung doch nicht hierauf
beschränkt, sondern kann ebenso bei der Kühlung angewandt werden. Die gesteigerte
Wärmeübertragung gemäß der Erfindung macht es möglich, ein, Gas oder einen festen
Körper elektrostatisch zu kühlen, und die Erfindung kann daher dort benutzt werden,
wo die Hauptaufgabe darin besteht, ein Fluidum oder einen festen Körper zu kühlen,
im Gegensatz zu solchen Verfahren, bei denen der Wärmeaustausch in der Hauptsache
in der Erwärmung eines Fluidums oder eines festen Körpers besteht. Weiterhin ist
die Erfindung nicht auf Verfahren und Vorrichtungen beschränkt, bei denen die Wärme
elektrisch zugeführt wird, sondern -sie kann in gleicher Weise bei Erwärmungsverfahren
benutzt werden, bei denen die Wärme durch. andere Mittel, beispielsweise durch die
Verbrennung von Brennstoffen oder durch die Vorerhitzung eines Fluidums oder eines
festen Körpers, vor der Anwendung des elektrostatischen Feldes zugeführt wird.
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Auch. ist die Erfindung nicht auf Verfahren und Vorrichtungen. beschränkt,
in denen die Kammer, der feste Körper oder die Leitung, die ein Fluidum leitet oder
berührt, ein elektrischer Leiter ist. Die Kammer, -der feste Körper, die Leitung
od. dgL, welche das Fluidum berührt, kann ein dielektriscner Stoff, z. B,. Glas,
sein. Das benutzte Fluidum maß jedoch ,genübende dielektrische Eigenschaften aufweisen,
um die Herstellung eines, elektrostatischen Feldes in ihm zu ermöglichen.
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In :den Zeichnungen sind nur zum Zweck der Erläuterung schematisch
verschiedene Wege zur Benutzung der Erfindung angedeutet. In der Zeichnung ist Fig.
i ein. senkrechter Schnitt durch einen Apparat, :der zur Erhitzung eines Flüssigkeitskörpers
benutzt werden kann, Fig. 2 ein senkrechter Schnitt durch eine Vorrichtung, die
ebenfalls zur Erhitzung eines Flüssigkeitskörpers benutzt werden kann, Fig. 3 ein
schematischer Schnitt, der .die Anwendung der -Erfirndung auf die Erhitzung eines
Fluidums während des Durchganges durch, ein Rohr zeigt, Fig. 4 ein schematischer
Schnitt, der eine andere Anwendungsart der Erfindung auf die Erhitzung eines Fluidums
während des, kontinuierlichen Durchströmens durch eine rohrförmige Kammer erläutert,
Fig. 5 ein schematischer Schnitt .durch eine andere Anordnung, die die Anwendung
der Erfindung auf die Erhitzung eines Fluidums beim Durchgaiig durch eine rohrförmige
Kammer zeigt, Fig.6 ein Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 5, Fig.7 ein schematischer
Schnitt, der eine andere Anwendung der Erfindung auf die Erhitzung einer Flüssigkeitsbeschickung
in einem Behälter zeigt, Fig. 8 ein schematischer Schnitt, der die Anwendung der
Erfindung auf ein Verfahren zeigt, bei dem ein Fluidum beim Durchgang durch ein
Rohr od. dgl. erhitzt und dabei gleichzeitig die Wärme von dieser Flüssigkeit durch
einen festen Körper auf ein anderes Fluidum übertragen wird, Fig. 9 eine teilweise
im Schnitt und teilweise iil der Ansicht gegebene Darstellung der Anwendung der
Erfindung auf die Erhitzung eines Fluidums mittels einer Reihe von Brennern beim
Durchgang des Fluidums durch ein Rohr und Fig. io ein Schnitt nach :der Linie X-X
der Fig.9. Bei -dem schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispiel der Fig. i befindet
sich die Flü.ssikeit 2 in einem: Behälter 3, der oben offen und unten geschlossen
ist. Der Behälter besteht aus Glas, wenn er auch naturgemäß aus jedem beliebigen
Material bestehen kann, da 'hier der Behälter selbst keine Elektrode bildet. Die
Wärme zur Erhitzung der Flüssigkeit wird durch einen elektrischen Widerstandserhitzer
4 zugeführt, der sich durch die, mit einer Hülse versehene Öffnung 5 im Boden des
Behälters nach oben erstreckt. Die an :den Heizer angeschlossenen Leitungen 6 sind
in geeibgnetez Weise an eine Heizstromquelle angeschlossen, die im allgemeinen eine
Wechse1s.tromquelle sein wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das elektrostatische
Feld der Flüssigkeit dadurch zugeführt, daß der Widerstandsheizer 4, der vorzugsweise
aus Metall besteht, als eine Elektrode und ein metallisches Thermometerrohr 7 als
.andere Elektrode benutzt ist. Dieses: Thermometerrohr 7 erstreckt sieh -durch die
im Boden des Behälters sitzende, eine Hülse aufweisende- Öffnung 8 nach oben. Die
Stromzuführungen 9, welche zu den Elektroden führen, sind auf der anderen Seite
an eine Gleidhstromhochspannungsquelle angeschlossen. Gemäß der Darstellung ist
der Heizer die positive Elektrode, wenn es auch unwesentlich ist, ob der Helfer
oder das Thermometer die positive Elektrode darstellt. Das Thermometerrohr 7 bestellt
aus Metall und ist durch eine Leitung io an ein, anzeigendes Instrument i i angeschlossen,
so daß die Teinperaturstei.gerung der Flüssigkeit ohne weiteres abgelesen werden
kann.
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Die bei diesem Ausführungs:beispiel: zu erhitzende Flüssigkeit kann
Öl, Alkohol, Terpentin, Glycerin, Paraffin, verschiedene Petroleumprodukte, Leinöl,
Schellack, Firnis. oder :eine andere Flüssigkeit sein,, die dielektrische Eigenschaften
aufweist.
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Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ist ebenfalls zur Einsatzerhitzung
einer Flüssigkeit geeignet. Die Kammer 15, in der die Flüssigkeit erhitzt wird,
besteht aus einem Metall mit el-ektrischer Leitfähigkeit. Die Wärme zur Erhöhung
der Temperatur der Flüssigkeit wird durch ein Widerstandselement 16 geliefert,
das die Seitenwand des Behälters umgibt. Das Widerstandselement 16 ist durch Leitungen
17 an eine Heizstromquelle angeschlossen, die Gleich- oder Wechselstrom
liefern
kann. Der Behälter selbst bildet eine der Elektroden zum Anlegen des elektrischen
Feldes an die Flüssigkeit. Die andere Elektrode ist bei diesem Ausführungsbeispiel
ein metallischer Thermometerkolben 18, der sich durch eine mit Hülse versehene Öffnung
i9 im Gefäßboden in die Flüssigkeit erstreckt. Der Behälter und das Metallrohr sind
durch Leitungen 2o an eine beliebige Gleichstromhochspannungsquelle angeschlossen.
Um den Grad der Erhitzung der Flüssigkeit zu bestimmen; ist ein Anzeigegerät 21
für das Thermometer vorgesehen und mit dem Thermometerkolhen durch die Leitung 2a
verbunden. Das benutzte Thermometer ist ein übliches Flüssigkeitsthermometer. Bei
diesem Ausführungsbeispiel lädt das hohe elektrostatische Potentialfeld die Teilchen
des Fluidums auf und führt sie zwischen der positiven Elektrode und der negativen
Elektrode hin und her, so daß die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit wesentlich wächst.
Außerdem ist die ausgeglichene Endtemperatur höher, wenn das elektrostatische Feld
an die Flüssiglceit angelegt wird, als wenn allein der Heizstrom benutzt wird.
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Fig. 3 zeigt schematisch die Anwendung der Erfindung auf ein Verfahren,
bei dein ein Fluidum, das Luft, Gas oder ein anderes Dielektrikum sein kann, kontinuierlich
durch ein Rohr oder einen anderen passenden Behälter strömt. Hier wandert das Fluidum
durch dias, Rohr 25. Ein Heizdraht 26 erstreckt sieh axial durch das Rohr und steht
mit dem Fluidum in Berührung. Der Heizdraht ist vorzugsweise ein verhältnismäßig
flacher Chrom-Nickel-Draht, doch kann naturgemäß auch jeder andere brauchbare elektrische
Widerstandskörper benutzt werden. Dieser Draht ist mit Leitungen 27 an 'eine Wechselstromquelle
angeschlossen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestellt das Rohr 25 aus
Metall und bildet eine der Elektroden des elektrostatischen, Feldes. Die andere
Elektrode ist der Dralht 26, der, wie gesagt, gleichzeitig als Widerstandsheizer
dient. Das Rohr 25 und der Dra',lit 26 sind durch Leitungen 28 bzw. 29 an eine Gleichstrom@hochspannungsquelle
angeschlossen.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß der Fig.4 ist ebenfalls für die Erhitzung
eines dielektrischen Fluidums beim .gleichmäßigen Strömen entlang einer Wärmequelle
geeignet. Bei diesem Ausführungsbeispiel fließt das Fluidum durch eine rohrförmige
Kammer 3o, die vorzugsweise aus- Metall bestellt und wird durch ein Widerstandsheizelement
31 erhitzt, das sich sc'hraub'enförmig um den äußeren Umfang des Rohres erstreckt.
Das Heizelement ist durch Leitungen 32 an eine Wechselstro,mquelle angeschlossen.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 bildet die Seitenwand der Kammer selber
eine der Elektroden. In diesem Fall ist das Rohr 3o durch eine Leitung 33 an dem
positiven Pol einer Gleic stromhochsp.annungsquelle angeschlossen, während gemäß
Fig. 3 das Metallrohr 25 an dem negativen Pol der Hochspannungsquelle angeschlossen
ist. Wie bereits gesagt, werden jedoch unabhängig von der Polarität gleich gute
Ergebnisse erhalteir, doch soll ein gleichgerichteter Strom im Gegensatz zu einem
Wechselstrom benutzt werden.
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Nach Fig.4 ist der negative Pol der Hochspannungsquelle über eine
Leitung 34 an. eine sich in' Längsrichtung erstreckende Elektrode 35 angeschlossen,
die sich in der Achse des Rohres befindet. Die Elektrode weist die Form eines verhältnismäßig
flachen Chrom-Nickel-Drahtes auf. Man kann einen Draht von rundem Querschnitt benutzen,
doch wurde festgestellt, daß man bei der Verwendung eines flachen Drahtes mit abgerundeten
Kanten etwas bessere Ergebnisse erhält.
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Die Ausführungsformen gemäß Fig. 5 und 6 können ebenfalls zur Erwärmung
eines sich gleichmäßig bewegenden dielektrischen Fluidums dienen. Das Fluidum durchströmt
eine rohrförmige Kammer 40, die aus Metall oder einem Dielektrikum, z. B. Glas,
bestehen kann. Als Wärmequelle dient ein sich in. Längsrichtung in der Achse des
rohrförmigen Behälters erstreckender Draht 41. Dieser Draht ist mittels Leitungen'
42 an eine Wechselstromquelle angeschlossen.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist weder das Rohr noch der geheizte
Draht 41 als Elektrode des elektrostatischen Feldes benutzt. Dagegen sind innerhalb
des Rohres 40 Elektroden 43 und 44 vorgesehen, die einen Abstand voneinander aufweisen.
Jede beliebige, in Kontakt mit dem Fluidum stehende Elektrodenform kann an sich,
benutzt werden, doch zieht man bei zylindrischer Kammerform gemäß der Darstellung
gekrümmte, an gegenüberliegenden Seiten des Rohres angeordnete Platten vor. Die
Elektroden sollten derart angeordnet werden., daß die geladenen Teilchen bei der
Wanderung von der einen Elektrode zur anderen mit der Wärmequelle in Berührung kommen
oder in ihre Nähe gelangen. Die Elektroden sind durch Leitungen 45 an eine passende
GleichstroWhochspannungsquelle angeschlossen.
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Das, Ausführungsbeispiel nach Fig.7 dient zur Einsatzerhitzung eines
dielektrischen Fluidums. Hierbei weist die die Flüssigkeit enthaltende Kammer die
Form eines Rohres So auf, das oben offen und unten durch einen Pfropfen 51 geschlossen
ist. Die Wärme zur Erhitzung des Fluidums wird mittels eines Widerstandselements
52 zugeführt, das sich senkrecht durch die Kammer erstreckt. Das Heizelement 52
ist oben an eine Leitung 53 angesc'hIossen, die an dem einen Pol an der Wechselstromquelle
liegt. Das untere Ende des Widerstandselements ist durch eine passende Leitung 54
an dem anderen Pol der Wechselstromquelle angeschlossen. Der Pfropfen 5i besteht
vorzugsweise aus einem isolierenden Stoff, z. B. Gummi, und das Widerstandselement
durchsetzt den Pfropfen in einer Öffnung 55. Der Behälter kann aus Metall oder aus
einem beliebigen Stoff bestehen, da er in diesem Fall nicht eine der Elektroden
bildet. Die Elektroden sind das Widerstandsheizelement 52 und ein Metallrohr 56,
das zwar einen kleineren Durchmesser als das Rohr 5o aufweist, doch diesem Durchmesser
möglichst nahekommt. Die rohrförmige Metallelektrode und das. Widerstandselement
sind:
mittels der Leitungen 57 bzw. 58 an eine Gleichstromhochspannungsquelle angeschlossen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. & erfolgen mehrere Wärmeübertragungen.
Ein Widerstandselement 6o erstreckt sich axial durch ein Rohr 61, welches von einem
Fluidum in Pfeilrichtung durchströmt werden kann. Ein Außenrohr 62 umschließt das
Rohr 61 und bildet eine Kammer für ein Fluidum, das hier entweder in derselben oder
in der umgekehrten Richtung strömt wie das Fluidum im Rohr 61. Zur Vergrößerung
der Wärmeaustauschgeschwin@digkeit zwischen dein Widerstandselement 6o und dem das
Rohr 61 durchströmenden Fluidum bildet das Heizelement 6o .die eine und das Rohr
selbst d.ie andere Elektrode. Der Draht 6o und, das Rohr 61 sind durch Leitungen.
63 an eine Gleichstrornspannungsquelle angeschlossen. Falls die Wärmeübergan:gsgeschwindigkeit
zwischen dem Rohr 61 und dem Fluidum, das zwischen diesem und demRohr 6ä hindurchströmt,
erhöht werden soll, kann das Rohr 62 durch eine Leitung 64 an die eine Seite der
Gleichstrom'hochspannungsquelle angeschlossen werden, so da3 die Rohre 61 und 62
je eine Elektrode für ein elektromagnetisches Feld bilden, das an das durch das
Rohr 62 fließende Fluidum gelegt ist. Gemäß der Darstellung sollten bei einer Ausführungsform
dieser Art das Außenrohr und der Widerstandsheizer dieselbe Polarität und das Rohr
61 die entgegengesetzte Polarität aufweisen.
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Es ergibt sich ohne weiteres, daß das, Innenrohr 61 dieses - Ausführungsbeispiels
in verschiedener Art geheizt werden kann. Statt der Heizung mittels eures sie durchströmenden,
elektrisch geheizten Fluidums Tann dieses Fluidum auch vor dem Eintritt in das Rohr
61 er!hitzt werden. Beim Durchgang durch das Rohr gibt es dann. seine Wärme an das
Rohr ab, welches seinerseits das Fluidum innerhabb des äußeren Rohres oder der Kammer
62 erhitzt, und dies-es Fluidum kann wiederum die Wärme an das Außenrohr oder an,
irgendeinen Gegenstand abgeben, der sich innerhalb dieses Rohres oder dieser Kammer
befindet. Auf diese Weise kann die Erfindung auf die üblichen rohrförmigen Glüh-
oder Wärmebhandlungsöfen zur Behandlung von. Metallblechen o-d. dgl. angewandt werden,
die in ihnen angeordnet sind.
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Das, Ausführungsbeispiel gemäß Fi,g. g und io zeigt die Anwendung
der Erfindung auf eine Erwärmung mittels Gas- oder anderen Brennern. Das Rohr -/i
führt das zu erhitzende Fluidum und ist von einem oder mehreren kreisförmigen Brennern
72- umgeben.,- die kleine, auf ihrem inneren Umfang verteilte Öffnungen 73 aufweisen.
Gas oder ein anderer geeigneter Beenns.toff wird jedem dieser Brenner
72 durch eine Leitung 74 zugeführt. Der Draht 75 (oder die Stange), welcher
sich durch das Rohr erstreckt, bildet die eine Elektrode und ist durch eine Leitung
76 an dem positiven Pol der Hochspannungsquelle angeschlossen. Das- Rahr bildet
die andere Elektrode und. ist durch eine Leitung 77 an den negativen. Pol der Hochspannungsquelle
gelegt. Zusätzlich kann man auf Wunsch auch die Brenner an den positiven Pol der
Hochspannungsquelle anschließen. Auf diese Weise wird innerhalb der das Rohr durchströmenden
Flüssigkeit ein elektrostatisches Feld und ein weiteres elektrostatisches Feld zwischen
den Flammen und dem Rohrerzeugt. Beide Felder erhöhen die übertragene Wärmemenge
und die Ü'b,ertragungsgeschwindigkeit.
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Bei der Benutzung der Erfindung ist die Erhöhung des Wärmeüberganges
am größte=n, wenn der Abstand zwischen den entgegengesetzt aufgeladenen Flächen
klein ist, z. B. zwischen einem Bruchteil eines Zentimeters und mehreren Zentimetern,
wenn auch ein größerer Abstand zwischen den Elektroden, mit guten Ergebnissen benutzt
werden kann. Unter solchen Umständen sind jedoch höhere Gleichstrompotentiale erforderlich,
wenn; beste Ergebnisse erhalten werden sollen. Spannungen zwischen 5ooo und 2o ooo
V geben ausgezeichnete Ergebnisse bei Rohren mittlerer Abmessungen mit Durchmessern
von 5 bis 8 cm. Es ist jedoch zu beachten, daß jede geeignete Spannung benutzt werden
kann, j e nach der Art der Vorrichtung, auf die die Erfindung angewandt wird.
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Diee Erhöhung der Wärmeübertragungsgeschwindigkeit bei der Anwendung
der Erfindung hängt naturgemäß von den Bedingungen ab, unter denen gearbeitet wird.
Es wurde. beispielsweise gefunden, daß die Wärmeübertragung bei Geräten der beschriebenen
Art bis zu iioo °/o je nach den vorliegenden Bedingungen erhöht werden konnte.
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Wenn auch die Erfindung unter Zugrundelegung verschiedener Ausführungsbeispiele
beschrieben und schematiscJherläutert wurde, so ist für den Fachmann .doch ohne
@veiteres ersichtlich, daß sie benutzt werden kann für a) Wärmen und Abkühlen von
Fluida und festen Körpern im Wärmeaustauschverfahren und -vorrichtungen, b) Kühlung
von Motoren, Generatoren, Transformatoren, Gasturbinen, Verbrennungskraftmaschinen,
anderen Maschinen u. dgl., c) Kühlung der Anoden von Vakuumröhren und anderen Teilen
von Funkanlagen, d) Heizung oder Kühlung von Metallen, plastischen Stoffen. oder
anderen Stoffen beim Härten, Normalisieren, Wärmebehandeln, Schmelzen und bei anderen
Arten der Wärmeöfen oder -kammern, e) Kühlapparate, f) Mischen verschiedener Arten
von Fluida oder Mischen von Fluida mit feinverteilten Stoffen und g) Kühlen der
Schmieröle für Maschinen, wie z. B. auf Schiffen, wobei besondere Schiffskühler
nicht gebraucht werden.
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Die Erfindung kann im Rahmen des Schutzbereiches in :dieser und in
verschiedenen anderen Arten benutzt und ausgefiifhrt werden.