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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement für hohe Temperaturen
und große Wärmeflüsse in Form eines sogenannten »Heizstabes«, das aus einer Metallhülse
besteht, die mehrere elektrisch isolierte und in eine sehr gut wärmeleitende Metallmasse
eingebettete Heizwiderstände umgibt.
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Im allgemeinen enthalten ummantelte elektrische Heizelemente im Inneren
eines rohrförmigen Metallmantels einen oder mehrere drahtförmige, gerade oder gegebenenfalls
gewendelte Widerstände, die in ein elektrisch isolierendes feuerfestes Material,
wie Magnesiapulver, eingebettet sind, das den oder die Widerstände in einem bestimmten
Abstand vom Mantel hält. Es ist auch bekannt, bei Verwendung mehrerer Heizwiderstände
in einem rohrförmigen, seinerseits in einer Ebene spiralförmig gebogenen Heizelement
einen oder einige der Heizwiderstände nicht über die ganze Rohrlänge, sondern nur
einen Teil derselben anzuordnen, um bei Stufenschaltung nur eine bestimmte Teilfläche
der ebenen Spirale, beispielsweise deren Mitte, zu erwärmen.
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Derartige Heizelemente werden im Haushalt vielfach verwendet, und
in diesem Fall genügt die von den Heizelementen abgegebene Wärme stets den praktischen
Erfordernissen.
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Wenn man jedoch höhere Temperaturen erreichen und vor allem einen
größeren Wärmefluß erzielen will, wird die Betriebstemperatur der Widerstandsdrähte
rasch zu hoch, so daß sie durchschmelzen und besondere Vorsichtsmaßnahmen getroffen
werden müssen, um vor allem die Wärmeleitfähigkeit des Heizelements zu verbessern,
indem man, wie bekannt, für den Außenmantel ein sehr gut wärmeleitendes Metall,
wie beispielsweise Aluminium, Kupfer, Silber usw., verwendet, oder einen Doppelmantel
vorsieht, bei dem der äußere Mantel aus Stahl und der zweite, im Inneren des ersten
angeordnete Mantel aus einem der erwähnten Metalle besteht, so daß die Verteilung
der vom Widerstand über die elektrisch isolierende feuerfeste Einbettungsmasse zugeführten
Wärme an der Oberfläche des Mantels mehr oder weniger verbessert wird.
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Weitere Schwierigkeiten ergeben sich jedoch bei Heizelementen komplizierter
räumlicher Gestalt, wie sie beispielsweise zu Wärmeaustauschuntersuchungen in Kernreaktoren
benötigt werden, da die Wärmeleitfähigkeit von Kern und Hülle bei den bekannten
Heizelementen nicht ausreicht, um genügend große Wärmeflüsse zu erzielen.
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Es ist bekannt, daß die allgemeinen Betriebsbedingungen eines Kernreaktors,
die Freisetzung von Energie durch Spaltung der Kerne des spaltbaren Materials dazu
führt, daß die Brennstoffelemente bei Core-Temperaturen von einigen 100 bis zu 2000°
C und darüber' arbeiten.` Die Brennstoffelemente, die beispielsweise in Barrenform
oder gebündelt im Reaktor angeordnet sein können, müssen wirksam gekühlt werden,
um folgenschwere und nicht reparierbare Unfälle-zu vermeiden und mit Hilfe eines
in ihnen erwärmten Kühlmediums außerhalb des Reaktors beispielsweise ein Kraftwerk
zur Elektrizitätserzeugung zu betreiben.
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Die Vorgänge beim Wärmeaustausch und der Verteilung der Wärmeflüsse
zwischen einem festen Körper von komplizierter geometrischer Form, wie die gebündelten
Kernbrennstoffelemente, und einem Kühlmedium, sind kaum bekannt.
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Außerdem kann die Untersuchung von Wärmeaustauschvorgängen zwischen
einem Festkörper und einem Medium, d. h. die tlbertragung eines Wärmeflusses, der
von einigen Dutzend Watt/cm2 bis zu mehreren 100 und selbst 1000 Watt/cm2 bei Core-Temperaturen
von einigen 100 bis 2000° C und darüber reichen kann, nicht an verkleinerten Modellen
und bei einem geringeren Wärmefluß vorgenommen werden, da in @ den meisten Fällen
die Theorie erweist, daß völlige Entsprechungen unmöglich sind.
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In einem Reaktor, dessen Brennstoffelemente in Form von Barren gebündelt
angeordnet sind, ist es außerordentlich wichtig, die Verteilung der Wärmeflüsse
zu kennen, da die von der Heterogenität der Verteilung herrührenden Wärmespannungen
zwangläufig zur Verformung der Brennstoffelemente führen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein ummanteltes elektrisches
Heizelement zu schaffen, das in wirksamer Weise die Erzeugung hoher Temperaturen
und hoher Wärmeflüsse gestattet und sich besonders zur experimentellen Untersuchung
von theoretisch nicht berechenbaren Wärmeaustauschvorgängen bei hohen Temperaturen,
insbesondere zur Untersuchung dieser Erscheinungen in Kernbrennstoffelementen von
komplizierter Raumform eignet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektrisches Heizelement
der eingangs bezeichneten Art gelöst, bei dem im Inneren des Heizstabs über zwei
Drittei seiner Länge zwei zu dachziegelartig übereinanderliegenden Zwillingswendeln
gleicher Ganghöhe aufgewickelte Heizwiderstände, über das letzte Drittel seiner
Länge dagegen ein einziger zu einer Wendel mit der halben Ganghöhe der anderen Heizwiderstände
aufgewickelter Heizwiderstand angeordnet sind und die Zuleitungen der Heizwiderstände
durch an sich bekannte Verschlußstopfen geführt sind, die jeweils an einem Ende
mit einem Außengewinde versehenen Ansatzteil aufweisen.
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Vorzugsweise sind die Heizwiderstände mittels der den Nulleiter bildenden
Metallmasse, in die sie eingebettet sind, in an sich bekannter Weise in Sternschaltung
geschaltet und werden mit Drehstrom gespeist.
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Die elektrischen Heizwiderstände bestehen jeweils aus einem mittleren
Metalldraht, vorzugsweise aus Nickel, einer elektrisch isolierenden feuerfesten
Masse, wie Magnesia, in Form einer den Mitteldraht umgebenden dünnen Schicht und
aus einer zylindrischen Hülle aus Stahl oder einer Nickel-Chrom-Eisen- oder Nickel-Chrom-Legierung
mit sehr guten Temperatureigenschaften, wobei der Durchmesser dieser Anordnung-
0,3 cm .nicht übersteigt.
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An seinem freien Ende ist der zentrale metallische Widerständsdraltt
an die Hülle des Widerstands angelötet, die in der sehr gut leitenden metallischen
Masse eingebettet ist.
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Der Durchmesser des Zentraldrahts und der den Zentraldraht umgebenden
Schicht sowie der Schutzhülle sind im Inneren des Heizstabmantels höchstens halb
so groß wie außerhalb, wobei sich der Bereich der allmählichen Vergrößerung des
Widerstands im Inneren des Mantels in der Höhe der Verschlußstopfen befindet.
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Das Verhältnis zwischen dem Volumen der Widerstände und dem im Inneren
des Mantels verfügbaren Volumen liegt über 20 11/o.
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Jeder Verschlußstopfen weist einen Ansatzteil auf,
der
mit einem Gewinde versehen ist, wodurch der Heizstab an einem Halter befestigt werden
kann.
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Weitere Eigenschaften ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizstabs, die nur als Beispiel gegeben
ist und sich auf die Zeichnung bezieht. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt des
Heizstabs und F i g. 2 ein Querschnitt in vergrößertem Maßstab eines Widerstands
des Heizstabs.
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Der Heizstab besteht aus einem zylindrischen Metallmantel 1, vorzugsweise
aus rostfreiem Stahl (er kann auch, falls notwendig, aus Molybdän oder jedem anderen
hitzebeständigen Metall mit hohem Schmelzpunkt bestehen), drei schraubenförmig aufgewickelten
Widerstandsdrähten 2', 2", 2"', einer sehr gut leitenden Metallmasse 3, wie Silber,
Kupfer, Aluminium usw., in die die Widerstände eingebettet sind, und aus zwei Verschlußstopfen
4', 4", die an jedem Ende des Mantels 1 befestigt sind und durch die hindurch
die Widerstände 2', 2", 2"' abgedichtet in den Mantel 1 eingeführt sind. Jeder der
Verschlußstopfen 4', 4" weist einen Ansatzteil 41', 41" mit einem
Außengewinde 42', 42" auf, mit dessen Hilfe der Heizstab an einem in der
Zeichnung nicht wiedergegebenen Halter befestigt werden kann.
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Jeder Heizwiderstand 2', 2", 2"' besteht aus einem metallischen Zentraldraht
oder Kern 21, vorzugsweise aus Nickel, einer dünnen Schicht eines feuerfesten
elektrisch isolierenden Materials 22, wie Magnesia, das den Kern 21 umgibt,
und einer Schutzhülle 23 aus hochtemperaturbeständigem Stahl oder einer Nickel-Chrom-Eisen-
oder Nickel-Chrom-Legierung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform haben diese verschiedenen
Elemente 21, 22, 23 solche Abmessungen, daß der Durchmesser des gesamten Widerstands
2', 2", 2"' gleich oder kleiner als 0,3 cm ist.
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Ein Ende 24', 24", 24"' jedes Widerstands 2', 2", 2"', ist elektrisch
mit der metallischen Masse 3, die sich im Inneren des Mantels 1 befindet, so verbunden,
daß die elektrische Schaltung dieser Widerstände eine Sternschaltung ist. Zu diesem
Zweck ist der metallische Kern 21 am Ende 24', 24", 24"' jedes Widerstands 2', 2",
2"' an die Schutzhülle 23 angelötet, was einen sehr guten elektrischen Kontakt des
Kerns 21 mit der Masse 3 über die metallische Hülse 23 ergibt.
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Die Widerstände 2', 2", 2"' werden von einem üblichen Dreiphasenstrom
von 220 oder 580 Volt so gespeist, daß die Metallmasse oder das Metallbad 3 den
Nulleiter der Sternschaltung darstellt. Es versteht sich von selbst, daß die aufgerollten
Längen jedes Widerstands 2', 2", 2"' im wesentlichen gleich sein müssen, damit die
Stromkreise ausgeglichen sind.
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Im Inneren des Mantels 1, und zwar im Bereich der Verschlußstopfen
4', 4", weist jeder Widerstand 2', 2", 2"' einen kegelstumpfförmigen
Teil 25',
25", 25"' auf, in dem sich der Durchmesser der Widerstände 2', 2",
2"' auf das Doppelte erhöht, um die Zuleitungen 26', 26", 26"' zu bilden. Die Vergrößerung
der Durchmesser umfaßt die Vergrößerung des metallischen Kerns 21, der feuerfesten
Schicht 22 sowie der Schutzhülle 23, so daß außerhalb des Mantels 1 der Durchmesser
einer Stromzuführung 26', 26", 26"' das Doppelte des Durchmessers des Heizwiderstands
2', 2", 2"' (F i g. 1) beträgt. Auf diese Weise ist es möglich, dem Heizstab den
Strom ohne wesentlichen Wärmeverlust in den Zuleitungen 26', 26", 26"' zuzuführen
und in den Widerständen 2', 2", 2"' je Oberflächeneinheit einen 8mal größeren
Wärmefluß abzugeben als in den Zuleitungen 26', 26", 26"'. Durch diese Veränderung
des Durchmessers, die auch ein anderes Vielfaches von 1 sein kann, wird im vorliegenden
Fall die je Längeneinheit in den Widerständen 2', 2", 2"' für eine bestimmte
Stromstärke erzeugte Wärmemenge vervierfacht, da der Querschnitt der Widerstände
2',
2", 2"' nur ein Viertel von dem der Zuleitungen 26',
26",
26"' beträgt. Aus dem gleichen Grund verringert sich die Oberfläche je Längeneinheit
der Widerstände 2', 2", 2"' auf die Hälfte, so daß der je Oberflächeneinheit
der Widerstände 2', 2", 2"'
ausgestrahlte Wärmefluß 8mal größer ist als der
von den Zuleitungen 26', 26", 26"' abgegebene.
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Diese Ausführungsform, bei der im Bereich der Verschlußstopfen
4', 4" die Durchmesser der Zuleitungen 26', 26", 26"' allmählich verkleinert
werden, ist sehr vorteilhaft, da man auf diese Weise die Anschlußstelle der Widerstände
an das Stromnetz außerhalb des Heizstabs legen kann, d. h. daß zwischen dem Stromnetz
und den Widerständen 2', 2",
2"' nur eine indirekte Verbindung mit allmählichem
Übergang mittels der allmählich in die Widerstände übergehenden Zuleitungen
26', 26", 26"' besteht, so daß man in den Widerständen eine Stromstärke von
100 Ampere oder sogar darüber erzielen kann, ohne daß man sich mit Problemen des
Kontakts zwischen den einen geringen Querschnitt aufweisenden Widerständen und den
Stromzuleitungen beschäftigen müßte.
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Zwei der drei Widerstände 2', 2", 2"' sind in den Mantel l von seinem
einen Ende her, der dritte Widerstand dagegen vom anderen Ende des Mantels 1 her
eingeführt. Die beiden ersten Widerstände 2', 2" sind als Zwillingswendel mit dem
gleichen Schraubengang aufgewickelt und erstrecken sich über zwei Drittel der Länge
des Mantels 1,
während der dritte Widerstand 2"' nur das andere Drittel der
Länge des Mantels einnimmt und der Gang der Schraubenwindung dieses dritten Widerstands
2"' halb so groß ist wie der der beiden anderen.
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Infolge der thermischen und mechanischen Kennzeichen der verwendeten
Widerstände kann man zwischen dem Volumen der Widerstände 2', 2", 2"' und dem Innenvolumen
des Mantels 1 ein Volumenverhältnis von größenordnungsmäßig mindestens 20%
erzielen. Dadurch wird die Herstellung von außerordentlich dünnen Heizstäben ermöglicht,
deren Abmessungen beispielsweise 70 cm Länge und 2,5 cm Durchmesser sind. Bei einer
Temperatur im Kern des Heizstabs von 300° C bzw. 900° C erhält man an der Oberfläche
des Heizstabs Wärmeflüsse in der Größenordnung von 500 bzw. 100 Watt/cm2 der Heizstaboberfläche.