DE1958261B2 - Ofen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Ofen für die Erwärmung von Gegenständen auf eine gleichmäßige Temperatur, mit einem einen abgeschlossenen Raum umschließenden doppelwandigen rohrförmigen Gehäuse, in dessen unterem Bereich sich eine verdampfbare Flüssigkeit befindet, und mit einer Heizeinrichtung zur Erhitzung der Flüssigkeit auf eine Temperatur, bei welcher sich der Flüssigkeitsdampf im Gleichgewicht mit der Flüssigkeit befindet, wobei durch die Kondensation des Dampfes an der Wand des Gehäuses die für die Erwärmung der Teile erforderliche Wärme isotherm freigesetzt wird.

Bei gewissen technischen Anwendungen ist es erforderlich, Körper oder Stoffe unter vollständig isothermen Bedingungen über das ganze erhitzte Volumen auf vorbestimmte Temperatüren zu bringen. Wenn man mit elektrischer Energie arbeitet, sind beispielsweise mit Joulescher Wärme arbeitende Widerstandsöfen, Elektronenstrahlofen und mit Hochfrequenzenergie arbeitende öfen bekannt Mit derartigen Ofen ist es außerordentlich schwierig, eine vollkommen gleichförmige Temperatur über die ganze Länge des Ofens, also eine vollkommen isotherme Erwärmung zu erzielen.

Dagegen kann mit einem Ofen der eingangs angegebenen Art, der aus der US-PS 26 16 628 bekannt ist, eine vollkommen isotherme Erwärmung erreicht werden. Bei diesem bekannten Ofen hat das eingebrachte Gas den Zweck, den im Gehäuse herrschenden Druck und dadurch die Rekondensationstemperatur festzulegen. Damit trotz des eingebrachten Gases eine isotherme Erwärmung möglich ist, muß sich das Gas mit dem Dampf vermischen, der beim Betrieb des Ofens durch die Erhitzung der Flüssigkeit erzeugt wird. Nach dem Einbringen des Gases mit dem gewünschten Druck wird das Gehäuse dicht verschlossen, und es besteht keine Möglichkeit einer späteren Veränderung der eingebrachten Gasmenge oder des im Gehäuse herrschenden Drucks. Insbesondere kann mit dem bekannten Ofen nur eine Ober die ganze Höhe des rohrförmigen Teils des Gehäuses gleichbleibende Temperatur erhalten werden. Es gibt jedoch Anwendungsfäile, in denen es erwünscht wäre, die Höhe des für die Erwärmung wirksamen Teils einstellen und nach Bedarf verändern zu können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ofen dieser Art so auszubilden, daß die Höhe der Heizzone einstellbar ist

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Einleitung einer einstellbaren Menge eines sich mit dem Dampf nicht mischenden, unter Druck stehenden Gases von geringerer Dichte als der Dampf in dem abgeschlossenen Raum.

Bei dem Ofen nach der Erfindung bildet sich über der Dampfsäule ein Kolben aus dem unter Druck eingeführten Gas, da sich dieses mit dem Dampf nicht mischt und eine geringere Dichte als der Dampf hat. Die Höhe dieses Kolbens ist durch die eingebrachte Menge einstellbar. Auf diese Weise wird die Höhe der Zone, in welcher die ständige Verdampfung und isotherme Kondensation stattfindet, auf einen Teil der Höhe des rohrförmigen Gehäuses beschränkt, der durch die eingebrachte Gasmenge bestimmt ist. Die Höhe der Heizzone kann somit den jeweiligen Bedürfnissen genau angepaßt werden, so daß auch schwierige Heizaufgaben gelöst werden können; beispielsweise kann ein in den Ofen eingebrachtes Werkstück nur über einen Teil seiner Längsausdehnung erhitzt werden, oder es kann ein Zonenschmelzverfahren durchgeführt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung enthä!t der Ofen nach der Erfindung eine Einrichtung zur Einstellung des Druckes des Gases. Dadurch ist zusätzlich zu der Bestimmung der Höhe der Heizzone auch eine Einstellung der Heiztemperatui möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ofens und

F i g. 2 einen schematischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ofens.

Fig. 1 zeigt einen isothermen Ofen 1 mit einem zylindrischen doppelwandigen Gehäuse 2, dessen Wände einen abgeschlossenen Raum 2a umschließen, in dem eine verdampfbare Flüssigkeit 3 eingeschlossen ist. Eine mittels Strotnwärme arbeitende Heizeinrichtung 4 ist an einem Ende des zylindrischen Gehäuses 2 angeordnet. Der von dem Gehäuse 2 umgebene Innenraum des Ofens 1, in den die zu erwärmenden Gegenstände eingebracht werden, ist, falls erforderlich, an beiden Enden durch Schraubstopfen 5 und 6 verschlossen. Ein als Wärmeschirm wirkender Mantel 7 verbessert den Wirkungsgrad, indem er thermische Energieverluste nach außen verringert.

Eine Druckgasleitung verbindet einen Druckgasbe-

hälter 8 über ein Druckminderventil 9, ein Manometer 10 und ein Absperrventil 11 mit dem abgeschlossenen Raum 2a im Gehäuse 2. Das verwendete Gas soll bei den Arbeitstemperaturen mit keinem der anderen vorhandenen Stoffe chemisch reagieren und kann beispielsweise Argon oder Helium sein.

Der in F i g. 1 dargestellte Ofen wird in folgender Weise betrieben: Die Flüssigkeit 3 wird am unteren Ende des abgeschlossenen Raums 2a durch die Heizeinrichtung 4 zum Sieden gebracht, und ihr Dampf füllt den ganzen abgeschlossenen Raum 2a. Es ist unerläßlich, daß das Volumen des Raums 2a und der Druck bei der Arbeitstemperatur relativ zueinander so festgelegt werden, daß sich der Dampf im Sättigungszustand, das heißt im Gleichgewicht mit seiner Flüssigkeit befindet.

Die physikalischen Gesetze, welche die Zustände von Fluiden in Abhängigkeit von Temperatur und Druck beherrschen, zeigen einerseits, daß es für einen gegebenen Druck eine maximale Arbeitstemperatur gibt, oberhalb der das ganze Fluid verdampft ist, und daß es andererseits für eine gegebene Temperatur einen minimalen Arbeitsdruck gibt, unterhalb dessen das ganze Fluid ebenfalls verdampft ist.

Für den allgemeinen Fall, daß das Temperatur- und das Druckintervall so gewählt sind, daß Dampf und Flüssigkeit gleichzeitig vorhanden sind, finden an jeder Stelle des Raums 2a und seiner Wände Wärmeaustauscherscheinungen statt, die sich aus dem Gleichgewicht zwischen der nach außen durch die Wände verlorenen Wärmeenergie und der der gleichen Stelle durch die automatische Kondensation einer entsprechenden Dampfmenge zugeführten Wärmeenergie ergibt. Diese Wärmeabgabe entspricht der vorher bei der Verdampfung verbrauchten Wärmeenergie.

Um ein Beispiel für die vorkommenden Größenordnungen zu geben: Ein in der beschriebenen Weise ausgebildeter Ofen mit 40 cm Länge, bei welchem das Fluid aus Lithium besteht, hat in isothermer Weise eine Temperatur von 1920⁰K bei einer Leistung von 2500 Watt ergeben, was 100 Watt je cm² Wandfläche entspricht.

Dabei sind der abgeschlossene rohrförmige Raum 2a und dessen Wände über die ganze Länge völlig isotherm.

Die Einleitung von inertem Gas unter Druck in den abgeschlossenen Raum 2a ermöglicht eine Veränderung der Länge des isothermen Teils des Ofens auf Grund des folgenden physikalischen Vorgangs: Beim öffnen des Absperrventils 11 wird eine bestimmte Gasmenge, beispielsweise Helium oder Argon, in den abgeschlossenen Raum 2a unter einem höheren Druck, als er dort herrscht, eingeleitet. Infolge des sehr großen Dichteunterschieds zwischen dem bereits vorhandenen Dampf und dem eingeleiteten Gas mischen sich die beiden Fluide nicht, und das Gas wandert durch den Dampf zum oberen Teil des abgeschlossenen Volumens, wo seine Anwesenheit die Anwesenheit vom Dampf vollständig verhindert. Daraus folgt, daß in dem ganzen vom Gas eingenommenen Teilabschnitt des Ofens keine Wärmeaus;tauschvorgänge zwischen dem Dampf und der Wand stattfinden können; die Temperatur ist in diesem Teilabschnitt gering und vernachlässigbar gegenüber derjenigen im unteren Teilabschnitt.

Auf diese Weise gestattet die Menge des durch die Betätigung des Absperrventils eingeleiteten Gases eine > Einstellung der nutzbaren Länge des isothermen Ofens.

F i g. 2 zeigt eine andere Ausführungsform des Ofens,

bei der die Einleitung des Gases an dem dem Flüssigkeilsvoirat entgegengesetzten Ende erfolgt. Dies ergibt einen gewissen Vorteil: Zwar kann die Stelle der Einführung des Gases in den abgeschlossenen Raum frei gewählt werden, doch kann es vorteilhaft sein, den Durchgang des Gases durch den Dampf in dem abgeschlossenen Raum zu vermeiden, wenn die Dichte des Gases von der Dichte des Flüssigkeitsdampfes wenig verschieden ist, so daß die Scheidung der Fluide infolge ihrer Dichten unter Umständen nur mit Schwierigkeit zu erreichen ist.

Die Heizeinrichtung muß nicht aus der dargestellten Heizwicklung bestehen; die Heizung kann auch auf irgendeine andere Weise, insbesondere durch Elektronenstrahlbeheizung, erfolgen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   !. Ofen für die Erwärmung von Gegenständen auf eine gleichmäßige Temperatur, mit einem einen abgeschlossenen Raum umschließenden doppelwandigen rohrförmigen Gehäuse, in dessen unterem Bereich sich eine verdampfbare Flüssigkeit befindet, und mit einer Heizeinrichtung zur Erhitzung der Flüssigkeit auf eine Temperatur, bei welcher sich der Flüssigkeitsdampf im Gleichgewicht mit der Flüssigkeit befindet, wobei durch die Kondensation des Dampfes an der Wand des Gehäuses die für die Erwärmung der Teile erforderliche Wärme isotherm freigesetzt wird, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (8, 9, 10, 11) zur Einleitung einer einstellbaren Menge eines sich mit dem Dampf nicht mischenden, unter Druck stehenden Gases von geringerer Dichte als der Dampf in dem abgeschlossenen Rahm.
2. 2. Ofen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (9,10) zur Einstellung des Druckes des Gases.
3. 3. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Gas unter Druck enthaltender Behälter (8) mit dem Inneren des Gehäuses (2) über ein Druckminderventil (9) und ein Absperrventil (11) verbunden ist.
4. 4. Ofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas chemisch neutral isL jo
5. 5. Ofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Argon ist.
6. 6. Ofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Helium ist
7. 7. Ofen nach einem der vorhergehenden Ansprüehe, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Lithium ist.